Сенсационное открытие «рязанских барм» вызвало большой интерес к древностям Старой Рязани. Начало научных исследований Старо-Рязанского городища связано с именем археолога-любителя Д. Тихомирова. Приступив в 1836 году к раскопкам, он исходил из предположения, что место находки «барм» указывает на то, что здесь находился княжеский дворец. Внимание Тихомирова привлекли два обширных холма, которые местные жители упорно называли курганами. Один из этих «курганов» был раскопан Тихомировым. Под ним оказались руины кафедрального собора древней столицы Поочья – Успенского. Помимо многочисленных обломков кирпича-плинфы, белокаменных колонн и постаментов, Тихомиров нашел здесь восемь каменных саркофагов, в которых покоились останки рязанских князей и княгинь, а также множество поспешных захоронений, сделанных, очевидно, зимой 1237 года, когда уцелевшие жители погребали тела убитых Батыем рязанцев. После Батыева погрома Успенский собор еще какое-то время существовал.
Сегодня, пользуясь аналогией сохранившегося до наших дней черниговского собора и на основе данных раскопок, можно представить себе внешний облик Успенского собора в Старой Рязани. Он был выложен из плинфы – плоских продолговатых кирпичей. Снаружи все стены были затерты тонким слоем известки желтовато-розоватого цвета, на которой были расписаны белой известью швы, создававшие впечатление кладки из камня. Собор украшали резные детали из белого камня и белокаменная скульптура. Храм завершался тремя главами. Двери – вероятнее всего, железные – были отделаны медными пластинами с рисунком золотой наводкой по черному лаку. Внутри стены покрывала фресковая роспись и мраморная облицовка. Полы были вымощены керамическими поливными плитками желтого и зеленого цветов.
Раскопки Старой Рязани продолжались с перерывами вплоть до 1917 года. В 1888 году секретарь Рязанской ученой архивной комиссии Селиванов раскопал второй «курган» на Старо-Рязанском городище. Этот невысокий холм скрывал руины второго каменного Рязанского собора – Борисоглебского. Полностью разрушенный татарами в 1237 году, он, по-видимому, никогда более не возобновлялся. Как показали дальнейшие исследования, Борисоглебский собор построен в то же время, что и Успенский (очевидно, в 1112–1115 гг.) и тем же самым зодчим: он настолько сходен с Успенским, что эта мысль напрашивается сама собой. Этот мастер, бесспорно, был выдающимся архитектором. Построенные им храмы стали первыми образцами уже не византийского, а романского стиля к востоку от Днепра. Тем самым его творения явились предшественниками замечательных владимиро-суздальских соборов второй половины XII века. Имя этого зодчего остается неизвестным, но на некоторых кирпичах Борисоглебского собора в Старой Рязани сохранилась ясно различимая надпись: «Яков тв(орил)». Что это – имя мастера-кирпичника или имя великого архитектора?
С раскопками 2-й половины XIX века связаны и новые находки замечательных произведений ювелирного искусства. К их числу относится, в частности, кованная из серебра чаша с тиснением, на дне которой изображено стилизованное животное: козерог или олень. Интересным примером рязанского ювелирного искусства являются две серебряные позолоченные подвески (XIII в.), усыпанные зернью, с девятью цепями, на которых в середине помещены круглые бляхи, а на концах – ромбовидные грузила, украшенные художественно выполненной сканью и зернью. Они входят в состав клада, найденного в Старой Рязани в 1868 году (сегодня хранятся в Государственном Эрмитаже). В состав того же клада входило серебряное ожерелье, состоящее из штампованных бляшек с изображением на них так называемых «процветших» крестов.
Новые открытия в Старой Рязани связаны с именами археологов, работавших здесь уже в советское время, – В.А. Городцова, А.Л. Монгайта, В.В. Даркевича и других. Раскопки, продолжающиеся и по сей день, открыли множество новых страниц истории, культуры и быта древней столицы Поочья.
Территория Старо-Рязанского городища совершенно свободна от поздней застройки. Это дает большие преимущества для его археологического изучения по сравнению с такими городами как Новгород или Киев, где проведению раскопок препятствует современная городская жизнь. И, несмотря на то что в Старой Рязани раскопана еще сравнительно небольшая часть города, возможность свободно выбирать участки раскопок позволила изучить топографию древнего города, историю его заселения и развития.
В 1940-х годах археологи раскопали остатки третьего каменного собора Старой Рязани – Спасского. Он датируется XII веком. Спасский собор меньше Успенского и Борисоглебского – его размеры составляют 28,09 x 25,95 м. В отделке здания использовался фигурный кирпич. Фрагменты резных архитектурных деталей, найденные археологами, типичны для русских резчиков XII–XIII веков. В то же время план Спасского собора не имеет аналогий в древнерусском зодчестве. Это позволяет говорить о том, что в Рязани домонгольского времени начала развиваться вполне самостоятельная архитектурная школа.