Prilikom analize slojeva tla, stručnjaci su otkrili tragove antičkog kamenoloma, o čemu svedoče karakteristični useci u steni i fragmenti neobrađenih kamenih blokova. U severoistočnom delu kompleksa arheolozi su otkrili i veštački obrađeni kameni plato i ostatke paganskog svetilišta.
Istorija potrage za svetim mestima počela je u 4. veku, kada je carica Jelena, majka cara Konstantina Velikog, organizovala ekspediciju u Svetu zemlju. Do tog vremena izgled Jerusalima se značajno promenio: nakon gušenja jevrejskog ustanka 70. godine Rimljani su uništili grad do temelja. Na njegovom mestu je podignut novi grad - Elija Kapitolina, gde je na Golgoti podignut hram boginji Veneri, a pećina gde je navodno sahranjen Hrist je bila napunjena đubretom.
Uprkos poteškoćama, ekspedicija kraljice Jelene bila je krunisana uspehom: otkriveni su i Krst i pećina gde je sahranjen Isus. Po njenom nalogu, paganski hram je srušen, a na njegovom mestu podignut je hrišćanski kompleks koji objedinjuje Golgotu i grob. Svoj savremeni izgled hram je dobio u 13. veku, zahvaljujući naporima krstaša.
U 19. veku, engleski general i arheolog Čarls Gordon izneo je alternativnu verziju lokacije Golgote, otkrivši brdo u obliku lobanje severno od gradskih kapija. Njegova teorija je dobila podršku nekih protestantskih zajednica, ali kasnija istraživanja su pružila snažne dokaze u korist tradicionalne lokacije.
Nedavni arheološki radovi otkrili su mrežu tunela iz 1. veka ispod hrama koji vode do drevnog kamenoloma. U blizini je otkriveno i elitno jevrejsko groblje sa stenskim kriptama i tragovima drevnog gradskog puta. Ostaci antičkog hrama koje su otkrili italijanski arheolozi dopunjuju sliku istorijske autentičnosti ovog mesta.