También entonces se iniciaron las investigaciones arqueológicas, con la lectura estratigráfica completa de los muros, interiores y exteriores, y la apertura de dos áreas de excavación, una en la girola que no llegó a completarse para reservar su final a la coordinación con la excavación de la cabecera completa, hoy ya realizada, y otra en el tramo colindante con el del sotocoro, donde se pudo empezar a apreciar la mala calidad constructiva de los cimientos de los pilares de las naves.
Posteriormente, entre los años 2001 y 2002, se excavó completamente el aula de las naves, descubriéndose el pésimo estado generalizado de esos cimientos, además de restos constructivos de edificaciones anteriores, la muralla altomedieval con su iglesia adosada intramuros, huellas de cimentación de cabañas de madera y otros elementos.
Y entre los años 2003 y 2007 se excavó totalmente la cabecera de la Catedral, con el hallazgo de muy interesantes restos constructivos correspondientes al sistema defensivo de la ciudad en el siglo XII, constituido por un sistema de murallas, fosos y torres albarranas probablemente de construcción navarra, anteriores a la conquista castellana y a la construcción de la nueva iglesia fortaleza que es hoy la Catedral.
Como es habitual, todas estas excavaciones han dado también como resultado la exhumación de restos humanos pertenecientes a muy distintas épocas, que estudiados adecuadamente están dando una información valiosísima sobre el poblamiento de Vitoria desde la alta edad media hasta bien entrada la edad moderna.
