Les fouilles archéologiques ont également été lancées à cette période. Elles ont comporté la lecture stratigraphique complète des murs, intérieurs et extérieurs et l'ouverture de deux zones de fouilles. La première sur le déambulatoire qui n'a pas été complétée en attendant d'être coordonnée avec les fouilles du chevet complet, aujourd'hui effectuées. La deuxième sur la section adjacente à la partie du sous-sol du chœur, qui a permis de découvrir la mauvaise qualité architecturale des fondations des piliers des nefs.
Par la suite, entre les années 2001 et 2002, la salle des nefs a été entièrement creusée, et le très mauvais état généralisé de ces fondations a été découvert. Les fouilles ont également permis de mettre à jour les restes d'édifications antérieures, la muraille médiévale avec son église adossée intramuros, des traces de fondation de cabanes en bois, entre autres éléments.
Le chevet de la cathédrale a été entièrement creusé entre 2003 et 2007. Les fouilles ont permis de découvrir de très intéressants restes de construction correspondant au système défensif de la ville au XIIe siècle. Il était composé de remparts, fosses et bretèches, probablement construits par la Navarre, antérieurs à la conquête castillane et à la construction de la nouvelle église fortifiée qu'est devenue aujourd'hui la cathédrale.
Comme d'habitude, toutes ces fouilles ont également mis à jour des restes humains remontant à différentes époques. Ils sont en cours d'étude et apportent des informations très importantes sur la population de Vitoria, de l'époque du haut Moyen-âge à l'âge moderne.
