Năm 2004, một cuộc khai quật với diện tích khai quật 800 m² đã phát lộ di tích chỉ cách mặt đất khoảng 20 cm đến 40 cm. Nhiều hiện vật quan trọng đã được phát hiện. Theo nhà khảo cổ học Nguyễn Hồng Kiên, "cho đến thời điểm này, đây là đàn tế Nam Giao còn lại nguyên vẹn nhất và có thể được xem là quý giá nhất Việt Nam".

Cuộc khai quật, khảo cổ thứ hai năm 2007 được tiến hành trên diện tích 2000 m² và cuộc khai quật, khảo cổ thứ ba năm 2008 đã mở rộng diện tích khai quật thêm 3000 m². Trong các năm từ 2009 đến 2011, tiến hành khai quật, khảo cổ tổng thể di tích trên diện tích 24.000 m².