Nel corso dei lavori di restauro e manutenzione di Palazzo Altemps, a partire dagli anni '90 del Novecento e fino al 2012, sono state effettuate indagini archeologiche in diversi settori dell'edificio, integrando l'esplorazione delle stratigrafie del sottosuolo con l'esame degli elevati. L'intervento conservativo si è così trasformato in un'eccezionale occasione di conoscenza non solo delle fasi edilizie e di vita del palazzo, ma anche delle preesistenze di età romana e medievale. La modalità costruttiva dell'edificio, che ha inglobato e riutilizzato strutture di epoche precedenti, ha consentito infatti la conservazione di una complessa stratigrafia archeologica. Sono stati riconosciuti tratti di

strutture tardoantiche presenti al livello delle cantine e di murature medievali inglobate nel Palazzo Riario/Altemps e conservate in elevato ai piani superiori. Inoltre, la grandissima quantità di materiali archeologici recuperati, che vanno dall'età imperiale al XIX secolo, ha integrato il panorama storico-archeologico testimoniando anche quelle fasi che non hanno lasciato tracce strutturali.

Dall'androne del palazzo provengono intonaci dipinti di IV stile con soggetti dionisiaci databili al I secolo d.C. pertinenti a una domus, che al momento costituisce la testimonianza più antica dell'occupazione di questo spazio urbano. Una selezione degli intonaci è attualmente visibile nel percorso espositivo del museo.

Di particolare rilievo risultano le stratigrafie e le strutture portate alla luce nell'angolata nord-occidentale dell'edificio, in particolare sotto il teatro, che documentano una lunga continuità di frequentazione dall'età imperiale a quella post-rinascimentale in un rinnovamento continuo dello spazio che muta ma non scompare, neanche nei secoli dell'Alto Medioevo.

L'esigenza di non compromettere la stabilità delle strutture perimetrali dell'edificio ha precluso un approfondimento delle indagini archeologiche oltre 3 metri dal piano pavimentale del teatro, non consentendo di rintracciare stratigrafie precedenti la fine del II sec. d.C.

La testimonianza più importante sotto il teatro è costituita dai resti di una domus tardoantica dai ricchi apparati decorativi, attualmente accessibile dalle cantine nella prospettiva di completare il percorso di visita nei sotterranei del palazzo.

Pozzetti e immondezzai medievali e rinascimentali, rinvenuti in grande quantità in quest'area, costituiscono l'attestazione principale della frequentazione dell'isolato e della vita delle famiglie Riario ed Altemps nel palazzo nel tardo Quattrocento e nel Cinquecento.

Nell'angolata sud-occidentale dell'edificio è stata messa in luce una casa-torre del XII secolo, parzialmente impostata sulle murature di un altro complesso residenziale tardoimperiale, poi rasata e inglobata nella costruzione del Palazzo Riario. Attualmente è inserita nel percorso di visita del museo in una sala dove sono esposte le stoviglie delle famiglie Riario e Altemps che offrono una preziosa testimonianza dei consumi, dei traffici e delle produzioni a Roma in quei periodi.

Le ultime indagini archeologiche, effettuate nel 2012 nel cortile di Palazzo Altemps, hanno rintracciato appena sotto la pavimentazione resti di altri edifici risalenti a fasi diverse dell'età medievale che contribuiscono a ricostruire il quadro degli spazi vissuti in questo settore urbano.