Piazza del Duomo è stata oggetto, negli ultimi settanta anni, di numerose campagne di scavo archeologico. La grande quantità di dati scaturita da questi interventi ha permesso di delineare un’ampia cronologia di frequentazione dell’area a partire da periodo etrusco fino alla costruzione dei Miracoli Pisani, tra XII e XIV secolo.
In epoca etrusca l’area aveva una funzione principalmente cultuale; la zona era occupata da edifici a funzione sacra come dimostrano i materiali di una piccola stipe votiva e i resti della platea di una ampio tempio, rinvenuti entrambi vicino alla torre pendente.
In epoca romana la zona si trasforma in area residenziale con la costruzione di grandi domus fondate entro il I secolo a.C.. Questi edifici erano caratterizzati dall’uso di pavimenti a mosaico anche policromo e pareti decorate con intonaco dipinto. Gli edifici erano ai lati di una strada che dal settore nord-est della città (edifici pubblici come le terme e l’anfiteatro), passando per l’attuale Piazza del Duomo, si collegava alla viabilità lungo la costa. Le domus rimasero in uso fino al V secolo, quando l’intera area si ritrasformò in area di culto, con la comparsa della necropoli e la costruzione del battistero e della cattedrale.
Importanti sono i ritrovamenti di sepolture con corredi longobardi della metà del VII secolo d.C., al momento tra le rare testimonianze materiali di questo periodo per l’intera città. Gli scavi più recenti hanno permesso inoltre di riportare in luce i resti di un edificio religioso costruito verso la fine del X secolo: si tratta della cattedrale, successiva a quella di VIII secolo attestata dalle fonti scritte e precedente a quella romanica, iniziata a costruire solo nel 1064 ed oggi ancora visibile. Tutte le strutture individuate con le ricerche archeologiche sono state documentate e ricoperte per lasciare posto al prato attuale.