Für die bisher größte Stadtgrabung in Berlin ist das Landesdenkmalamt (LDA) zuständig. Zwei Teams des LDA mit 16 Mitarbeiter*innen erschließen ein kostbares dreidimensionales Archiv, in dem die Geschichte des Ortes gespeichert ist. Die Straßen- und Leitungsbauarbeiten werden von archäologischen Grabungsfirmen begleitet.

Die 800-jährige Geschichte der Stadt hat vielfältige Spuren im Boden hinterlassen. Unter der Oberfläche zwischen Rotem Rathaus und Altem Stadthaus verbergen sich bis in eine Tiefe von ca. 4 Metern vielfältige Spuren: Fundamente von Bürgerhäusern, Objekte des Alltagslebens wie Gebrauchskeramik und Tierknochenabfälle oder sogar Industrieanlagen wie das ehemalige Elektrizitätswerk südlich des Roten Rathauses.
In den Hinterhöfen des Molkenmarktes sowie unterhalb neuzeitlicher Keller konnten zahlreiche Überreste mittelalterlicher Bauwerke aufgedeckt werden. Dabei handelt es sich einerseits um hölzerne Keller, die bis in das 13./14. Jahrhundert zurückgehen. Die aus Holzbohlen bestehenden Wandkonstruktionen sind oftmals nur noch als braune Verfärbung erhalten. Über den aufgegebenen und verfüllten Kellern wurden jüngere Steinhäuser errichtet. Andererseits wurden im Mittelalter in den Hinterhöfen Abfallschächte errichtet, die ebenfalls aus Holz, teilweise auch aus Ziegelsteinen konstruiert waren. Aus ihnen konnten zahlreiche Alltagsgegenstände geborgen werden, die den Alltag der mittelalterlichen Bewohner Berlins anschaulich machen.
In den Hinterhöfen wurden zudem zahlreiche Brunnen aufgedeckt, die aus Ziegeln oder Feldsteinen bestehen und bis in das 19. Jahrhundert genutzt und umgebaut wurden. Der Großteil der erhaltenen Steinkeller wurde im 18. und 19. Jahrhundert errichtet. Die Bauwerke des 18. Jahrhunderts besitzen oftmals Kalksteinfundamente, ab der Mitte des 19. Jahrhunderts sind nur noch Ziegelbauwerke anzutreffen. Alle Keller waren mit modernem Schutt verfüllt, der seinerseits ebenfalls Zeugnisse des Alltagslebens bis in das 20. Jahrhundert enthält.

Die archäologische Erschließung des Molkenmarktes startete 2019. Da die Untersuchungen fast ein Fünftel der mittelalterlichen Stadtfläche Berlins erfassen, werden die Grabungen noch mehrere Jahre andauern. Mitunter werden sie parallel zum Straßenbau und zum Hochbau durchgeführt. Einige Bereiche, wie die Fläche an der ehemaligen Gustav-Böß-Straße, auf der die Reste von 1889 bis 1948 betriebenen Elektrizitätswerken ausgegraben wurden, sind bereits größtenteils abgeschlossen. Große Bereiche künftiger Hochbauflächen sind erst seit März 2024 für die Archäolog*innen verfügbar. Die finale Umverlegung der Grunerstraße erfolgte in diesem Zeitraum. Die aktuelle Planung sieht ein Ende der Grabungstätigkeit vorerst Ende 2025 vor.

Alle ausgegrabenen Befunde und Funde werden dokumentiert. Es wird jeweils individuell entschieden, ob besondere Baustrukturen geborgen oder vor Ort gesichert werden. Mitunter können beispielsweise Keller als archäologische Fenster in die Vergangenheit in der späteren Quartiersgestaltung dauerhaft sichtbar gemacht werden. Materielle Zeugnisse können so den individuellen Charakter des künftigen Quartiers prägen.
In einer Machbarkeitsstudie Archäologie wurden acht besondere Komplexe betrachtet und mit Varianten sowie Empfehlungen für den weiteren Umgang untersucht.

Das Landesdenkmalamt Berlin ermöglicht auch in diesem Jahr wieder Führungen über die laufenden Ausgrabungen auf dem Molkenmarkt. Das Grabungsteam Molkenmarkt unter Leitung von Eberhard Völker ermöglicht ab dem 5. April 2024 jeden Freitag um 14 Uhr Führungen über die Grabungsfläche (abhängig von Feiertagen und Witterungsbedingungen).

Die Grabungsflächen entsprechen der Grundfläche der künftigen Quartiere. Insgesamt werden Flächen von rund 22.000 Quadratmetern archäologisch untersucht.

Der ursprüngliche, heute von Straßenland vollkommen überdeckte Molkenmarkt, lag an der Kreuzung wichtiger mittelalterlicher Straßen, die bis heute wichtige Verkehrsadern geblieben sind: der Mühlendamm, die Spandauer Straße und die Stralauer Straße. Der heutige Molkenmarkt ist im Zuge der enormen Aufweitung der Straßen in den 1960er Jahren an seinen aktuellen Standort vor dem Alten Stadthaus umgezogen.

Der festgesetzte Bebauungsplan bildet die Grundlage für die Quartiersentwicklung. In Abstimmung zwischen dem Landesdenkmalamt und den anderen Partner*innen in der Entwicklung können erhaltenswerte Strukturen in die Planung einbezogen werden. Beispielsweise können wichtige Funde in einem archäologischen Fenster gesichert und erlebbar gemacht werden.

Das Denkmalschutzgesetz des Landes Berlin sieht vor, dass bei einer baubedingten Zerstörung von Bodendenkmalen der Verursacher die Kosten der Ausgrabung zu tragen hat. Das Land Berlin besitzt einen Großteil der Flächen am Molkenmarkt und trägt somit auch die auf seinen Flächen entstehenden Grabungskosten.

Ende Januar 2020 wurde eine 250-kg-Fliegerbombe auf dem Areal entschärft. Darüber hinaus wurde bereits mehrfach Munition aus dem Zweiten Weltkrieg gefunden.
Die Erdeingriffe der archäologischen Untersuchungen werden durch entsprechende Fachkräfte (Feuerwerker) permanent betreut.