В 1950 г. в районе Кой-Крылган-калы был высажен небольшой археологический авиадесант. Два дня провели здесь археологи, собрали керамику, заложили небольшой разведочный шурф на одной из башен. Среди находок были обломки большой пустотелой скульптуры из обожженной глины, оттиски печатей на глине. В этом году развалины были окончательно выбраны центральным объектом раскопок. «…На ближайшие два-три года», — было написано в одном из отчетов С. П. Толстова. Однако трех лет было недостаточно: памятник оказался значительно более сложным, чем это можно было предположить.
Раскопки начались одновременно и в центральном здании, и на внешнем кольце. Однако в первую очередь раскапывалось центральное здание. Оно казалось более интересным, к тому же земля из раскопов помешала бы широким фронтом исследовать кольцо. Уже скоро стало ясно, что центральное здание было двухэтажным. Верхний этаж оказался целиком разрушенным и размытым. Здесь не удалось проследить ни характера планировки, ни способа перекрытия. От этого уровня местами сохранились лишь остатки стен стрелковой галереи, опоясывавшей центральное здание по уровню второго этажа. Наружная стена ее была прорезана высокими стреловидными бойницами. Нижнее основание бойниц круто уходило вниз, давая возможность обстрела пространства у наружной стены крепости.
Нижний этаж сохранился почти полностью. На четырехметровую глубину уходили мощные, сложенные из квадратных сырцовых кирпичей стены помещений. Помещения были забиты плотной, похожей на толстый слоеный пирог, глинистой массой. Слои залегали не горизонтально, а покато, порой круто падая вниз, то расширялись, то делались совсем тонкими и даже исчезали, не доходя до стен. Огромные бесформенные куски кирпичной кладки перемежались с тонкими глинистыми натеками и прослойками песка; в этих наслоениях была «записана» история жизни и гибели центрального здания Кой-Крылган-калы. Чтобы прочитать ее, археологи должны были проследить каждый слой, каждую прослойку, определить их состав, выбрать оттуда находки, высказать предположения, почему и каким образом они образовались. И все это зафиксировать «документально» в дневниках, на планах, разрезах, фотографиях. Пока же перед археологами внутри едва оконтуренных стен комнат лежала однородная, на первый взгляд серая масса земли.
Выяснение планировки, расположения комнат было задачей значительно менее сложной, но не менее интересной. Как они вписаны в круг центрального здания? Есть, ли в их расположении какая-либо система?
В 1952 г. выяснилось, что примерно по линии восток-запад центральное здание рассечено по диаметру широким сводчатым помещением. Тогда же были расчищены две двухмаршевые лестницы в восточной части этого помещения, выводящие из него в стрелковую галерею второго этажа. Потом центральное помещение было раскопано полностью. В середине по оси север-юг оно было разделено поперечной стеной. В стене была дверь, соединяющая обе половины; впоследствии было обнаружено, что она прорублена значительно позже. Таким образом, первоначально западная и восточная половины были наглухо отделены друг от друга. В западном конце помещения симметрично восточным были сделаны еще две такие же лестницы. Расчистка их заставила раскопщиков призадуматься. Глинобитные ступени были совершенно новенькими, совсем исхоженными. Более того, обе лестницы были заложены кирпичами, а верхние марши их, сознательно укороченные, выводили лестницы как раз на то место, где должна была пройти внутренняя стена стрелковой галереи. Поэтому входы в западную половину оказались не только заложенными, но и замаскированными стеной, а вся западная половина сооружения отрезанной от мира. Почему это было сделано? Но мы немного забежали вперед.
Из главного помещения сводчатые проходы вели в боковые комнаты: в восточной половине одна на север, две на юг; в западной — наоборот. Две лежащие против, друг друга комнаты каждой половины имели форму, близкую к прямоугольной; противоположные проходам стены остальных были скошены — вписаны в круг. Наружные стены семи помещений были прорезаны окнами, в каждом по одному. Прямоугольные (40x50 см), с наклоном в сторону помещений, они прорезали семиметровую толщу наружной стены и открывались наружу чуть ниже бойниц стрелковой галереи. Лишь в одном из помещений — крайнем восточном западной половины — окна не было.
Ни о какой случайности, даже небрежности планировки, говорить не приходилось. Она свидетельствовала лишь о необычайной стройности и большой строгости при выполнении первоначального замысла. Все было подчинено какой-то главной идее. Какой? Археологи об этом еще не знали.