Археологическое изучение Радонежа связано с именами З. Я. Ходаковского, Ю. Г. Гендуне, Н. П. Милонова и других. В 1976―1984 годах исследования в селе Городок и его окрестностях проводились экспедицией исторического факультета МГУ. Благодаря применению аэрофотосъемки и метода сплошной разведки было выявлено более 200 памятников XIII―XVII веков, в том числе 84 селища, а также могильники, дороги, плотины, пруды и другие сооружения.
Связующим звеном между письменными и археологическими свидетельствами стала устная традиция. Записи о местных географических названиях были сделаны от 46 старожилов из 18 сел и деревень округи села Городок. Результаты опросов превзошли все ожидания, открыв богатейшую топонимическую традицию, сохранившую до наших дней названия 450 угодий и урочищ. Более 50 из них упоминаются в документах XV―XVII веков, а около 100 можно относить к этому времени предположительно. С помощью устной традиции и данных Генерального межевания (1768 г.) межи 1680 и 1684 годов, а затем и более древние были локализованы, а селения, известные по писцовым книгам, идентифицированы с селищами, выявленными археологически. Применение такой методики позволило детально отразить памятники на историко-опорном плане и тем самым поставить на более точную основу последующие стадии проектирования.
Прежде всего были определены границы древнего города. Крепость Радонежа была основана в XIV веке на естественном останце, глубоко вдающемся в долину реки Пажи. Городище, сохранившееся на этом месте, называют теперь «Оба́лом». К востоку от укрепления, на равнине, располагался посад. Центральная его часть ныне занята селом Городок, южная охватывает Афанасово поле, а северная — Морозовское поле. Раскопки показали, что под распаханным верхним культурным слоем сохраняются остатки построек и ремесленных производств, целых кварталов города.
По преданию, до разорения города в начале XVII века, в Радонеже было 7 церквей и 2 монастыря. В крепости располагалась церковь Рождества Христова. В «Житии Сергия Радонежского», написанном Епифанием Премудрым около 1418 года, содержится известие о том, что отец Сергия Кирилл, «отъехав» из Ростова в Радонеж, «преселися близ церкви, нареченныа в имя святого Рождества Христова, еже и доныне стоит церковь та. И ту живяще с родом своим».[20] Преображенская церковь, основанная в центре посада, была возобновлена в 1617 году архимандритом Троицкого монастыря Дионисием и келарем Авраамием Палицыным. Писцовая книга 1622―1624 годов упоминает при ней пределы Сергия Радонежского (он сохранился и в нынешней церкви), Михаила Малеина и «на колокольне колокола». В 1800 году на ее месте была построена деревянная церковь, а в 1840-м — ныне существующая, каменная. Место третьего храма связано с возвышенностью в северной части Афанасова поля, которую местные жители называют «Погостом». Писцовая книга сообщает об этом месте: «Погост близко… Городка Радонежского а на погосте церковь Афонасея Великого стоит без пения». В середине XIX века сохранялось воспоминание еще об одной церкви,[21] которая, предположительно, находилась в центре села, там, где в XVI―XVII веках был перекресток дорог.
В XVII веке центр управления радонежскими землями переместился в село Воздвиженское, через которое была проложена новая Переяславская дорога. В начале 1620-х годов в Воздвиженском был построен путевой дворец. Во время походов московских государей на богомолье он служил последним «станом» перед Троицким монастырем. С Воздвиженским связаны драматические события, предшествовавшие приходу к власти Петра I. В 1682 году здесь по приказу царевны Софьи были казнены князья Иван и Андрей Хованские, а в 1689-м, потерпев поражение в борьбе за престол, сама Софья из Воздвиженского была отправлена Петром I в заточение. На Поклонной горе, между Воздвиженским и Троицким монастырем, на месте древней деревянной часовни, посвященной Стефану Пермскому, в XVII веке была построена каменная шатровая часовня «Крест». В 1612 году близ нее войско К. Минина и Д. Пожарского получило благословение на освобождение Москвы. Разрушение этого памятника в 1932―1935 году обеднило архитектурный облик окрестностей Радонежа.
Большой интерес представляют селища XIII―XVII веков, обнаруженные на пашнях, в лесах и на древних полянах — «осёлках» — как называют их старожилы. Поляны сохранились благодаря тому, что после запустения селений на них из века в век устраивались покосы. И сегодня на «осёлках» можно видеть средневековые пруды, контуры полей, дороги, проложенные в XIV―XVI веках. «Осёлки» Радонежа — такие, как Дуденево, Фомино, Белухинское, — принадлежат к тем местам, где ощущение подлинности исторической обстановки особенно сильно.