Początek eksploracji nawarstwień Wawelskiego Wzgórza sięga XIX wieku, a ich kontynuacja do dnia dzisiejszego wciąż dostarcza nowych odkryć.
Pierwsze wykopaliska na Wawelu przeprowadzone w celu pozyskania zabytków sięgają 1802 roku, kiedy to z inicjatywy księżnej Izabeli Czartoryskiej przebadano relikty zrujnowanego już kościoła Świętego Michała, skąd wydobyto szesnastowieczne obrazy, a także plakietę i witraże. Za pierwsze naukowe eksploracje uznaje się badania geologa prof. Alojzego Altha w obrębie Smoczej Jamy z 1871 roku.
W latach 1880–1882 architekt Tomasz Pryliński dokonał badań architektonicznych pałacu, połączonych z pracami wykopaliskowymi, podczas których odkryto nieznane wcześniej mury oraz liczne detale. Na przełomie XIX i XX wieku podczas renowacji katedry Sławomir Odrzywolski prowadził wykopy, między innymi w prezbiterium i w Skarbcu.
Po opuszczeniu Wawelu przez Austriaków w 1905 roku przystąpiono do odnowienia zamku, a pierwszym kierownikiem tych prac został Zygmunt Hendel. Już w 1906 roku Akademia Umiejętności rozpoczęła zakrojone na szeroką skalę badania archeologiczne, którymi kierowali między innymi Włodzimierz Demetrykiewicz (pierwszy archeolog na Wawelu) czy Julian Talko-Hryncewicz. Odkryto wówczas pozostałości romańskiej wieży obronnej z XII wieku i gotyckiego zamku (1906), rotundę Świętych Feliksa i Adaukta z X/XI wieku (1911) oraz kościół Świętego Gereona z XI stulecia (1914).
W 1916 roku kierownictwo nad pracami renowacyjnymi objął architekt Adolf Szyszko-Bohusz, który odegrał dużą rolę badawczą na Wawelu. Oprócz kontynuacji wcześniejszych badań odkrył relikty romańskiego palatium (1921), a podczas prac renowacyjnych w katedrze – grobowiec biskupa Maurusa z 1118 roku w krypcie Świętego Leonarda. Po zakończeniu drugiej wojny światowej doprowadził do szybkiej reaktywacji Kierownictwa Odnowienia Zamku, któremu przewodniczył do połowy 1946 roku.
Od 1948 roku następuje lawinowy przyrost badań archeologicznych na Wawelu, prowadzonych w ramach działalności kilku instytucji: Kierownictwa Odnowienia Zamku Królewskiego na Wawelu, Kierownictwa Badań nad Początkami Państwa Polskiego oraz Państwowych Zbiorów Sztuki na Wawelu. 2 marca 1956 roku Komisja Odbudowy Wawelu podjęła uchwałę, w której zapisano między innymi, iż: „każdy metr sześcienny ziemi wawelskiej jest zabytkiem kultury narodowej i źródłem historycznym, wymagającym ochrony i badania na równi z dziełami sztuki i architektury”. Niezwykle owocnymi badaniami kierowali kolejno: Gabriel Leńczyk (1948–1950), prof. Andrzej Żaki (do 1973), Stanisław Kozieł (do 1983), prof. Zbigniew Pianowski (do 2009), dr Janusz Firlet (do 2018). Od 1986 roku jedyną komórką archeologiczną działającą na Wawelu był Dział Archeologii. W listopadzie 2018 roku nastąpiła zmiana Regulaminu Organizacyjnego Zamku Królewskiego na Wawelu wskutek czego został powołany działający obecnie Dział Archeologii i Rezerwatów, którym do dnia dzisiejszego kieruje dr Beata Kwiatkowska-Kopka.
Do najważniejszych osiągnięć archeologicznych w powojennej historii należą odkrycia pierwszych śladów osadnictwa paleolitycznego (1950) oraz neolitycznego (1948), liczne pozostałości osadnictwa kultury łużyckiej oraz pierwsze ślady wczesnośredniowiecznych nawarstwień i obwarowań. Odkryto: średniowieczne relikty kościołów Świętego Michała i Świętego Jerzego (1948), przedromańską budowlę czworokątną z X/XI wieku (1949), relikty murowanej bramy zachodniej z XI wieku (1953), relikty domu Borka z XVI wieku (1960–1964), dwuapsydową rotundę „B” z X/XI wieku (1966), okrągłą wieżę obronną przy bramie zachodniej z XI wieku (1976), rotundę przy baszcie sandomierskiej z XI wieku (1977), rotundę przy bastionie Władysława IV z XI wieku, przebudowaną na kościół z prostokątnym prezbiterium w XII stuleciu (1982), pozostałości dawnych Ogrodów Królewskich z XVI–XVII wieku (1999), relikty murowanej bramy południowej z XI wieku (2010). W trakcie prac wykopaliskowych prowadzonych w katedrze i jej otoczeniu (z przerwami do 1995) dokonano także licznych odkryć, między innymi reliktów przedromańskiej bazyliki, fazy romańskiej, nieznanego wcześniej prezbiterium wczesnogotyckiego oraz atrium romańskiej katedry.
Obecnie terenowe badania archeologiczne kontynuowane są zazwyczaj w związku z pracami modernizacyjnymi lub remontowymi. Wiodące zadania realizowane w ramach działu Archeologii i Rezerwatów to opracowanie wraz z publikacją ogromnego dorobku naukowego, opieka nad pozyskanymi zabytkami ruchomymi i rezerwatami oraz organizacja ekspozycji wybranych okazów.
Paweł Kajfasz
Wykopaliska Szyszko–Bohusza przed północną elewacją pałacu, 1921 rok
Wykopaliska archeologiczne na terenie dziedzińca arkadowego, 1951 rok – pod zadaszeniem widoczne relikty przedromańskiej tzw. budowli czworokątnej, a przed nią główne skupisko lejków krasowych, prezentujące stanowisko paleolityczne.
Badania archeologiczne na południowym obszarze wzgórza Wawelskiego (rejon X), 1954 rok (przy stoliku prof. Andrzej Żaki).
Wykop archeologiczny szerokoprzestrzenny na obszarze dziedzińca zewnętrznego, przed katedrą, 1963 rok.
Rezerwat archeologiczny w zachodniej części wzgórza Wawelskiego (okolice budynku nr 8) – zachowane wnętrze reliktów kolistej wieży romańskiej, 2009 rok.
Wykopaliska archeologiczne na terenie dziedzińca zewnętrznego, 2011
Plan Wawelu z zabudową przedromańską i romańską (ciemniejszy kolor oznacza zachowane mury i ich negatywy, jaśniejszy prawdopodobne rozplanowanie budowli).
Budowle przedromańskie: 1. budowla "czworokątna z korytarzykiem" 2. relikty kaplicy (?) w rejonie bazyliki tzw. św. Gereona 3. rotunda czteroapsydowa św.św. Feliksa i Adaukta 4. fragmenty NS części przedromańskiej katedry św. Wacława 5. rotunda jednoapsydowa (baptysterium?) przy bastionie Władysława IV 6. dwuapsydowa rotunda "B" z emporą 7. fragment muru kościoła św. Michała 8. część bramy w wale obronnym zachodnim 8a. relikt bramy w wale południowym
Budowle romańskie: 9. palatium (tzw. sala o 24 słupach) 10. bazylika tzw. św. Gereona 11. aneks po wschodniej stronie palatium (kaplica pałacowa?) 12. czworokątna wieża obronna w rejonie Kurzej Stopy 13. katedra romańska wraz z atrium zachodnim 14. kościół z prostokątnym prezbiterium przy bastionie Władysława IV 15. rotunda z emporą zachodnią przy baszcie Sandomierskiej 16. okrągła wieża obronna (?) w rejonie Smoczej Jamy 17. relikty romańskiego kościoła św. Michała 18. budowla romańska przy Murze Katedralnym