Огромное древнее городище привлекло исследователей еще в конце XIX в. Первые раскопки здесь были осуществлены в 1909–1910 гг. В. Хвойко и Б. Стелецким. Затем работы были продолжены уже после Великой Отечественной войны (Б.И. Блифельд, П.А. Раппопорт, Б.А. Рыбаков, Г.Г. Мезенцева). В результате исследований удалось реконструировать систему оборонительных укреплений. Насыпанные в конце X в. валы города, помимо внутренних срубных конструкций, имели мощную кладку из сырцового кирпича. Как показали раскопки, детинец и 1-й окольный город были сооружены при Владимире Святославиче. Однако им предшествовало более древнее славянское городище (площадь 8,5 га), располагавшееся на мысу, образованном оврагом и берегом реки. Укрепления 2-го окольного города построены позже, вероятно, во второй половине XII в.
В детинце обнаружены фундаменты двух каменных храмов: большого (12 апостолов) и малого. Их полы украшены майоликовыми плитками. Малый храм был сооружен над белокаменным саркофагом известного белгородского епископа Максима и его кельей. На предполагаемой территории княжеского двора найдены котлованы хозяйственных построек (поварни?) с остатками нескольких печей. В различных местах Белгорода вскрыты нижние части жилых построек, гончарные мастерские, кузница. За валами стольного города исследованы дружинные погребения X — начала XI в. Собран богатейший инвентарь (в том числе несколько свинцовых вислых печатей), характеризующий быт древнерусских горожан X–XIII вв.
Наряду с Киевом Вышгород был одним из главных древнерусских центров Среднего Поднепровья. Как важный пункт в системе киевского полюдья его упоминает Константин Багрянородный. С X в. в городе располагалась, по-видимому, одна из резиденции великих князей. Здесь рано образовался слой собственного боярства, поддерживавший в начале XI в. Святополка Владимировича. Особую роль стал играть Вышгород в связи с канонизацией в XI в. первых русских национальных святых Бориса и Глеба, похороненных в городе. Над их усыпальницей был возведен храм, перестраивавшийся и украшавшийся несколькими поколениями русских князей. Начиная со второй половины XI в. в городе почти постоянно сидели удельные князья — подручники великого князя киевского. Вышгород в известной мере был северными воротами Киева. Он контролировал водный путь по Днепру, Ирпеню и Десне. Борьба за столицу Руси не раз начиналась с осады и штурма Вышгорода. Как и другие центры Среднего Подпепровья, город пострадал во время Батыева нашествия.
Стационарные археологические исследования, проводившиеся в Вышгороде в 30-е годы и в 1947 и 1972 гг. (Б.А. Рыбаков, В.И. Довженок, М.К. Каргер), возобновлены сейчас Киевской археологической экспедицией Института археологии АН УССР. Раскопками обнаружены остатки десятков наземных и углубленных в землю жилищ, производственные (железоделательные, кузнечные, ювелирные, костерезные, гончарные) комплексы; многочисленные вещевые находки X–XIII вв. Среди них выделяется серия русских и византийских свинцовых печатей, пряслице с надписью, поливная посуда и изделия из стекла. Церковь Бориса и Глеба в Вышгороде была одним из крупнейших трехнефных храмов Руси. К сожалению, до сих пор в городе не найдено непотревоженных отложений X в.
Тумащь был одним из важных опорных пунктов на пути вражеских войск к Киеву. Вместе с Треполем и Василевом он обеспечивал в XI–XIII вв. оборону столицы Руси от набегов половцев.