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 все 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 был весьма своевременен. Оказалось, что река размывает городище Мангазеи и оно быстрыми темпами разрушается. Об этом свидетельствовали торчавшие из обрыюв берега остатки деревянных сооружений, многочисленные предметы из культурного слоя, 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 — 1570-1670-е гг. 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 гг. В это время Мангазея приобрела те особые черты сибирского «непашенного» города, которые позволяют поставить его в один ряд с такими крупными городами Сибири тех лет, как Тобольск, Тюмень и другие. «Мангазея впитала в себя все новое и лучшее, что знало русское зодчество на рубеже XVI–XVII вв. Это прежде всего сказалось во внедрении принципов регулярной планировки города. Мангазея была хорошо спланирована: крепость четко отделена от посада, а сам посад разделен на две части: собственно ремесленную и торговую. Между частными постройками появились мощенные сосновыми досками судовой обшивки узкие улицы и переулки. Особое внимание уделялось застройке и благоустройству центральной части торговой стороны, где разместился большой гостиный двор в окружении сорока с лишним амбаров и таможня с амбарами. К западу от гостиного двора было возведено новое культовое сооружение — церковь Михаила Малеина и Макария Желтоводского. К востоку разместились питейные заведения и городская торговая баня. Расширилось строительство новых домов в кремле. Это прежде всего коснулось воеводского двора, за массивной круговой оградой которого в дополнение к уже построенным в начале века возникло еще два строения. Зодчие соединили новые постройки воеводского двора со старыми избами висячими закрытыми галереями. Так же были соединены воеводские хоромы с соседней съезжей избой. По существу была застроена вся селитьбенная территория городища, за исключением самых отдаленных северо-восточных частей. Это было время кульминации застройки».[19]
В 1625 году общая протяженность стен Мангазейского кремля по периметру составляла около 280 м. По углам стояли четыре глухие 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.