Первыми археологами, побывавшими на руинах Мангазеи, были В.Н. Чернецов и В.И. Мошинская. Осенью 1946 года они с большими трудностями добрались до городища. Сезон раскопок к тому времени уже подходил к концу, и ученые ограничились лишь составлением полевой карты и сбором подъемного материала – преимущественно керамики и обломков различных предметов. Это не помешало В.Н. Чернецову впервые во всеуслышание заявить, что «Мангазея не являлась… лишь военно-торговым форпостом. Это было прочно обжитое место». Но окончательно разрешить загадки Мангазеи могли только планомерные раскопки. Они начались в 1968 году и продолжались на протяжении четырех полевых сезонов. Раскопки Мангазеи вела археологическая экспедиция Арктического и антарктического научно-исследовательского института под руководством М.И. Белова, в состав которой входили сотрудники Института археологии АН СССР О.В. Освянников и В.Ф. Старков.
Приход археологов оказался весьма своевременен: оказалось, что река размывает городище Мангазеи и оно быстрыми темпами разрушается. Об этом свидетельствовали торчавшие из обрывов берега остатки деревянных сооружений, многочисленные предметы, усеивавшие песчаную кромку. По оценкам специалистов, к 1968 году погибло уже около 25–30 % территории памятника.
Раскопки Мангазеи представляют собой случай во многом уникальный. Подобного рода масштабные археологические исследования позднесредневекового города не проводились пока более нигде в мире. Как и в Старой Рязани, археологам здесь не мешала никакая поздняя застройка, а заполярная мерзлота, хотя и затрудняла раскопки, тем не менее способствовала хорошей сохранности деревянных сооружений и изделий, предметов из кожи и ткани. При этом характерной чертой памятника является кратковременность и строго очерченные рамки его существования – 1570-е—1670-е годы. Все это создавало исключительные с точки зрения археологии условия для детального изучения древней Мангазеи.
Археологи вскрыли и исследовали около 15 тыс. кв. м Мангазейского городища. Были обнаружены и исследованы остатки древних оборонительных сооружений и около сорока построек самого различного – жилого, хозяйственного, административного, торгового и культового – назначения.
Раскопки показали, что Мангазея имела типичное для древнерусских городов деление на собственно город (кремль) и посад. Особенно интенсивно город рос и застраивался в 1607–1629 годах. В это время Мангазея приобрела те особые черты сибирского «непашенного» города, которые позволяют поставить его в один ряд с такими крупными городами тех лет, как Тобольск, Тюмень и другие. «Мангазея впитала в себя все новое и лучшее, что знало русское зодчество на рубеже XVI–XVII вв.»16.
В 1625 году общая протяженность стен Мангазейского кремля по периметру составляла около 280 м. По углам стояло четыре глухих башни: Давыдовская, Зубцовская, Ратиловская и Успенская. На южной стороне, между Зубцовской и Успенской башнями, находилась Спасская проезжая башня, достигавшая в высоту 12 м. Самой маленькой была Ратиловская башня – 8 м, а самой массивной – Давыдовская, каждая из сторон которой имела длину около 9 м. Все башни были четырехугольными. Наибольшую высоту крепостная стена достигала на участке между Давыдовской и Ратиловской башнями – около 10 м; остальные стены имели высоту в 5–6 м.
Треть территории кремля (800 кв. м) занимал комплекс воеводского двора. Его раскопки дали археологам огромное количество предметов быта XVII века – туеса из бересты, железные дужки от ведер, подсвечники, топоры, ножи с орнаментированными рукоятками, сверла, зубила, долота, замки различных размеров, буравы, пробои, дверные засовы, петли, щеколды, деревянные ложки, тарелки, миски, ковши, ушаты, коромысла, черпаки, вальки, формы для печенья, короба, ларчики. Некоторые из этих предметов художественно оформлены. Например, форма для пряников вырезана в виде рыбы с большими плавниками. На одной из ложек ножом вырезана надпись: «Степа». Интересна находка оконной рамы размерами 29 × 29 см – такие маленькие «оконницы» характерны для XVII столетия. В раме сохранились значительные фрагменты слюды. Обнаружено несколько щипцов, с помощью которых снимался нагар со свеч и лучин. Найдены даже предметы мебели – небольшие лавки-скамейки для горниц и массивное широкое кресло.
Находка конской сбруи – колокольчиков, бубенчиков и седла, а также наличие в нижних слоях сеней довольно толстого слоя навоза говорят о том, что воеводский двор располагал некоторым количеством лошадей и, вероятно, мелким скотом. Отличные пастбища и сенные покосы располагались непосредственно за городом, так что содержание незначительного количества скота не представляло большой трудности.