Hàng thập kỷ qua đã có những cuộc khai quật khảo cổ học nhằm tìm kiếm dấu tích các cung điện của các triều đại Lý - Trần - Lê trên mảnh đất Thăng Long nghìn năm văn hiến, nhưng kết quả mang lại chưa đáng là bao so với những tài liệu thư tịch cổ ghi chép. Dường như những tranh luận chung quanh vấn đề xác định không gian khu vực Hoàng thành qua các đời vẫn đang tiếp tục giữa các nhà khoa học. Nhưng cho đến thời điểm này thì những nhà khảo cổ đã có thể khẳng định được rằng, cuộc tìm kiếm đó đã phần nào hé lộ kết quả.
Từ cuối tháng 12 năm 2002, được sự cho phép của các cơ quan chức năng, các nhà khảo cổ thuộc Viện Khảo cổ học đã tiến hành khai quật trên diện tích gần 14.000 m2, cạnh đường Hoàng Diệu (Hà Nội) và đã tìm thấy nhiều di tích quan trọng về lịch sử Thăng Long xưa.
Qua bóc tách các lớp đất các nhà khảo cổ đã nhận ra được di tích của các thời đại chồng lấp lên nhau, lớp văn hóa lâu nhất là dấu tích của thời kỳ tiền Thăng Long, có niên đại thế kỷ 7-9, ở giữa là lớp văn hóa Đinh-Lê, thời Lý và thời Trần, lớp trên cùng là thời Lê và thời Nguyễn. Một trong những phát hiện tạo được sự chú ý nhiều nhất đối với các nhà khảo cổ là di tích kiến trúc. Qua các hố khai quật các chuyên gia khảo cổ đã làm xuất lộ được gần hết di tích kiến trúc nền móng của một cung điện lớn dài 62 m, rộng 27 m với chín gian nhà thuộc thời Lý và thời Trần với hệ thống 40 trụ móng cột được người đời xưa xử lý chống lún rất kiên cố.
Nhiều nhà khoa học khẳng định rằng, đây là lần đầu tiên chúng ta tìm thấy được quy mô khá đầy đủ của một kiến trúc cung điện rất lớn thời Lý - Trần ở Thăng Long. Đáng ngạc nhiên hơn, tại hố A1, qua gần 1.000 năm nằm dưới các tầng đất đá, một giếng nước cổ thời Lý vẫn còn khá nguyên vẹn, có đường kính 68 cm và sâu 2,5 m cùng hai giếng thời Lê. Tiếp đó là dấu tích hai nền móng cung điện thời Lý có chân tảng đá hoa sen, với chiều dài 24,50 m, rộng 20 m. Đây là di tích cung điện Lý duy nhất hiện nay ở Thăng Long còn nguyên vẹn, cơ sở là chân tảng hoa sen được xếp đặt ngay ngắn trên các trụ móng cột. Cũng qua các hố khai quật đã làm xuất lộ những hệ thống cột gỗ trên chân tảng thời tiền Thăng Long, hệ thống trụ móng sỏi thời Lý-Trần, hệ thống các nền gạch thời Lý-Trần chạy theo hướng bắc-nam. Đáng lạ là, những hệ thống cống thoát nước thời Lý-Trần nay vẫn đang còn với đầy đủ dấu tích. Có con đường rải sỏi thời Lý -Trần chạy dài 27,5 m hiện còn rõ dấu vết.
Tổng số di vật tìm thấy ước tính hơn ba triệu, chủ yếu là gạch, ngói, và đồ gốm trang trí kiến trúc. Trong số này có hàng trăm di vật lần đầu tiên được tìm thấy trong Hoàng cung Thăng Long. Đáng kể như có hàng vạn viên gạch xây cung điện, lầu gác ở Thăng Long, đặc biệt viên gạch có khắc chữ Hán "Đại Việt quốc quân thành chuyên", nhằm chỉ rõ là gạch để xây kiến trúc của nước Đại Việt thời Đinh-Lê, gạch "Lý gia đệ tam Long Thụy Thái Bình tứ niên tạo", chỉ rõ đó là gạch xây dựng các cung điện nhà Lý năm 1057...
Các tượng rồng, phượng cỡ lớn trang trí đẹp chứng tỏ các kiến trúc thời Lý, Trần, Lê xây dựng ở đây hết sức công phu. Hệ thống các gốm sứ cao cấp với các biểu trưng chỉ dành riêng cho nhà vua như hình rồng có năm móng và chữ Quan do Việt Nam sản xuất. Hệ thống di vật như súng thần công, vũ khí, các loại tiền đồng, đồ dùng sinh hoạt và đồ trang sức bằng kim loại đen, mầu, kim loại có ánh vàng phản ánh nhiều mặt về kinh tế, xã hội Thăng Long thời Lý, Trần, Lê.