Летом 2008 года начала работу экспедиция заведующего лабораторией культурно-исторической антропологии Поморского государственного университета им. Ломоносова (ныне САФУ им. М.В. Ломоносова) А.Е. Беличенко Исследования проводились перед и внутри Двинских ворот. Целью работ была проверка сохранности ворот и вала. Было заложено два шурфа и траншея. Первый шурф - для прослеживания структуры и сохранности кладки основного обвода, второй – для определения сохранности мостовых воротного проема. От северного угла арки перпендикулярно стене была заложена траншея для изучения стратиграфии культурных слоев перед воротами. Шурф в проеме ворот подтвердил наличие в этом месте мощеной белым камнем дороги. Поверх данной дороги залегали остатки булыжной мостовой XIX века, покрытые советскими досками. Зондаж на южном углу арки подтвердил «чертежную» высоту стен (три сажени) и приемлемую степень сохранности нижних блоков фундамента и лиственничных свай, находящихся ниже уровня моря. Благодаря закладке траншеи в направлении набережной удалось проследить в северной стенке – оплывшие и сильно поврежденные советскими строениями остатки фоссебреи, в южной части – элементы мостовой, идущей от ворот.

В 2009 году экспедиция продолжила работы внутри крепостных стен. По бокам от Комендантского дома было заложено два раскопа. Аналогичный по конфигурации раскоп был заложен с севера от Офицерского дома. Основными целями работ около зданий являлись: выяснение состояния фундаментов кирпичных зданий 1701-1704 гг., свайного поля, выявление уровня грунтовых вод, глубины залегания и состояния цоколей зданий и крылец. На большей части площадей этих раскопов не был достигнут уровень XVIII в. Прослеживание напластований и сохранности фундаментов производилось путем шурфовки на перспективных участках внутри площади раскопа.
В центральной части двора на предполагаемом месте церкви Петра и Павла были заложены две параллельные траншеи. Для выявления степени сохранности кладки выносного сооружения был заложен шурф на площадке равелина.
Во время работы экспедиции 2008 года было установлено, что толщина слоев XX века (балласта) может превышать 1 м и более, поэтому перед началом шурфовок территория двора перед Комендантским и Офицерским корпусами была предварительно расчищена от поздних напластований. В ходе этих расчисток были обнаружены парапеты из белокаменных блоков кирпичных крылец, которые вели на второй этаж этих сооружений. Размер парапета Комендантского дома составлял 4,4 × 3,75 м. Ближе к воротному проему были зафиксирован край булыжной мостовой XIX века. Вплотную к зданию было заложено два шурфа, которые дали исследователю представление о сохранности фундаментов и залегании слоев. Рядом со зданием культурные слои XVIII – XIX вв. представляют собой перемежающиеся слои подсыпок и строительного мусора. В них содержится большое количество фрагментированного материала: стекла, керамики, курительных трубок, слюды, костей животных и рыб. Под булыжной вымосткой также были обнаружены остатки белокаменной дороги XVIII века. Под культурными слоями периода функционирования крепости исследователем был зафиксирован подстилающий слой: серый слоистый песок с линзами торфа, являющийся водоносным горизонтом. В шурфах была зафиксирована структура фундамента дома. Стратиграфия слоев XVIII – XIX вв. около Офицерского дома схожа с вышеописанной.
Под балластом в центре двора были обнаружены остатки сгоревших деревянных конструкций, большое количество деформированной слюды, стекла и небольших плоских медных и железных кованных гвоздей. Также на территории равелина был заложен небольшой шурф на месте предполагаемого места расположения стенки рва. Однако проведенные работы на данном участке показали отсутствие в этом месте каких-либо сооружений, что свидетельствовало о необходимости продолжения поиска конструкций.

В связи с началом реставрационных работ, АКМ выступил заказчиком дополнительных археологических исследований.Экспедицию возглавил В.А. Шестаков. В 2013 году исследования проходили около порохового погреба Флажного бастиона и на территории равелина. Закладка первого шурфа около северо-восточного угла порохового погреба была произведена с целью прослеживания сохранности фундамента и стратиграфии культурных слоев вокруг здания. Здесь были зафиксированы остатки булыжной вымостки XIX в. Она имела ширину от 1 м и исполняла роль водоотводной системы. Под уровнем вымостки зафиксирован более ранний культурный слой. На уровне 1 м ниже условного «0» проходил водоносный горизонт, из-за которого раскопки были остановлены. Основными находками на этом участке являлись различные фрагменты металлических изделий, относящихся по мнению исследователя, к конструкции здания, и небольшое количество керамики XIX в.
На территории равелина работы проводились в два этапа: сначала была заложена траншея недалеко от шурфа 2009 года. Отсутствие каких-либо находок в северной части траншей вынудило исследователя продлить ее в южном направлении. В этой части траншеи была обнаружена полуразрушенная стенка, огораживавшая равелин толщиной 2,5 м. Над стенкой зафиксированы остатки бруствера до 1,5 м высотой. Вторая траншея была заложена западнее для исследования остатков вала. В ходе работ было установлено, что каменная кладка вала была разобрана до уровня фундамента.

В 2017-2019 гг. работы проводила экспедиция Отдела военной истории АКМ под руководством Бурменского А.И. Работа проводилась на основании результатов предыдущих исследований и опубликованных за предшествующие 10 лет архивных материалов.
Целью работ с 2017 года являлось определение сохранности инженерных сооружений и прилегающего культурного слоя. Было принято решение приступить к изучению одного из сохранившихся сутеренгов крепости. При строительстве в главном вале крепости было заложено 12 сутеренгов и труб, однако после разрушения крепости по предварительным оценкам их сохранилось только 9. По результатам обследований наиболее доступным входом был признан северный сутеренг западной куртины.
С 2017 года проводилось изучение этого сооружения с целью уточнения его сохранности и возможности музеефикации. Данные работы включали расчистку прилегающей к сутеренгу территории, расчистку коридора до уровня каменного пола, расчистку камеры и бассейна от мусора советского времени для уточнения чертежей XVIII – XIX веков. При расчистке центральной части бассейна между этими двумя слоями засыпки было найдено деформированное чугунное ядро диаметром 75 мм (3 артиллерийских фунта), видимо попавшее туда при засыпке бассейна землей снаружи. Исследования показали, что размеры коридора, камеры, бассейна отличаются от "чертёжных".
Перед коридором был заложен шурф для обследования состояния патерны сутеренга. Верхушка водоотводной трубы в раскопе залегает всего на 4-6 см глубже, чем плиты пола центральной части коридора из-за скоса, обеспечивающего сток. С обоих сторон от свода арки была обнаружена засыпка из бутового камня. Был поставлен вопрос о степени сохранности всего комплекса сооружений, требовавший дополнительных исследований.

В 2018 году проводилось вскрытие участка, на котором до 30-х гг. XX в. располагался малый пороховой погреб Рогаточного бастиона. После расчистки стали видны очертания разрушенного сооружения – заровненные землей бугры из битого кирпича. Для уточнения перспективного места было проведено бурение и заложен раскоп. Удалось установить, что основную толщу культурного слоя составляет слой разрушения порохового погреба (строительный мусор. В нижней части были зафиксированы следы конструкций пола: лиственничные лаги, горизонт пожара.

В 2019 году был точечно исследован участок каменной набережной для проверки состояния не просматриваемых участков. Участки выбирались в местах предположительного выхода заборно-сточных труб западной куртины, отмеченных на планах первой половины XVIII вв. На точках выхода арок труб или следов их закладки обнаружено не было. Культурный слой западнее набережной отсутствовал.

В 2021 году экспедиция Попова С.Г. совместно со специалистами музея производила доследование участка 2017 года и занималась поиском аналогичных подземных конструкций западной куртины, а также осуществляла дополнительные обследования для постановки ОАН на учёт. Данные полученные в ходе работ 2008-2009, 2013, 2017-2019, 2021 гг. легли в основу проекта дальнейших работ на памятнике.

Работы 2023-2024 гг. были всецело подчинены практическим задачам сохранения памятника. С осени 2022 года на объекте проводился вывоз балласта (мусора ХХ в.) на участках отмели до набережной (вне границ ОАН), между набережной и западной куртиной, внутри крепостного двора. Осенью 2023 г. Двинские ворота и Комендантский дом были подвергнуты дополнительным исследованиям для составления проекта финальной реставрации объекта. Работы включали 5 шурфов. Были исследованы боковые технические помещения с остатками отопительных и кухонных печей первого этажа, боевые казематы, ранее не исследовавшаяся восточная секция воротного проема. Более точно стала понятна структура фундамента: он занимает весь воротный проем и казематы, а для боковых помещений сделан ленточный приклад. Для этого пол в боковых помещениях был выложен кирпичом "елочкой". Точнее стало наше представление о свайном поле: оно, в основном, состоит из более частой набивки свай разных пород деревьев. Взятые на анализ образцы показали их великолепную сохранность. Зафиксированные в ходе работ остатки пола и печей включены в проект реставрации.
В 2024 году было заложено два раскопа на двух участках ранее затронутой исследованиями сутеренга северного отрезка западной куртины: снаружи и изнутри двора. На внутренней площадке был окончательно доследован коридор, сточная патерна и колодец. Был зафиксирован ранее неизвестный участок начала коридора, выявлена структура выкладки его плит, направление кладки входа в арку. Со стороны реки был выявлен более крупный колодец начала XVIII в. и шлюзовой механизм середины XIX в., проложенный поверх ранних конструкций. Кирпичная кладка сохранилась практически на полную высоту вместе с остатками опорных балок двух воротных механизмов и деревянных створок с металлическими креплениями. Входе расчистки подземных патерн и колодцев на данном участке была восстановлена система тока воды, нарушенная засыпкой 30-70-х гг. ХХ в.
По итогам земляных работ, несмотря на их ограниченный и незавершенный характер, в западной части крепостного двора удалось понизить уровень стояния воды на 0,3 м. Это делает возможным проведение дальнейших реставрационных работ.