החפירה נערכה בעקבות שוד עתיקות במערכת תת-קרקעית חצובה ובקרבת משקוף איתן מעוטר, שתועד בסקרים בעבר (איור 1). בחפירה זוהו שבעה שלבים (1–7). בשלבים 1 ו-2 נחשפו שרידי קירות וחללים חצובים מן התקופה הרומית הקדומה. בשלב 3 נחשפו מערת קבורה ושרידי מבנה בזיליקה מהמאה הד' לסה"נ. בשלב 4 נחשפו שרידי כנסייה שתחילתה ברבע השלישי של המאה הו' לסה"נ וסופה ברעידת אדמה בשנת 749 לסה"נ. הכנסייה ומבנים סמוכים לה המשיכו לשמש תוך הסבת יעודם בתקופה העבאסית (שלב 5). בתקופות הממלוכית והעות'מאנית (שלבים 6, 7) התקיימה באתר פעילות חקלאית מצומצמת.

בחודש מרס 2011, לאחר סיום החפירה, הושחתו על ידי אלמונים חלקים מרצפת הפסיפס של הכנסייה שנחשפה בחפירה. בעקבות ההשחתה כוסה האתר ביריעות גיאו-טקסטיל, חול ים ואדמה. רשות העתיקות פועלת לגיוס משאבים שיאפשרו לשמר את האתר ולפתוח אותו לביקורי קהל.
 
שלב 1. נחשפו חללים חצובים בסלע ומחסנים תת-קרקעיים חצובים של מבני-על שלא השתמרו. שלב זה תוארך על סמך מטבעות וחרסים למן המאה הא' לפסה"נ ועד למאה הא' לסה"נ.
 
שלב 2. נחשפה מערכת מסתור, שבה שולבו חללים תת-קרקעיים משלב 1 (איורים 2, 3). מערכות מסתור דומות התגלו בעשרות אתרים בסביבה. שלב זה מתוארך לפרק הזמן שבין המרד הגדול למרד בר-כוכבא (70–135 לסה"נ).
 
שלב 3. נחשפה מערת קבורה, שנבנתה בתוך אחד החללים התת-קרקעיים החצובים מן השלבים הקודמים (איור 4). במערה התגלו שלוש שקתות קבורה חצובות להן מעקה בנוי, אליהן מוליך גרם מדרגות חצוב משלב 1. בין המדרגות לבין אחת השקתות נבנה קיר שטויח, ובו התגלה מטבע שנתחב בין האבנים וזמנו המחצית השנייה של המאה הד' לסה"נ (ימי קונסטנטיוס הב'). המערה התגלתה ריקה מממצא. מעל מערת הקבורה התגלו שרידי מבנה בזיליקה, שנבנה בכיוון צפון-מערב–דרום-מזרח באבני גיר מקומיות, ולו רצפות פסיפס לבנות. מתחת לרצפות הפסיפס התגלו חרסים, שהמאוחר בהם (שבר נר מטיפוס בית נטיף) מתוארך למאות הג'–הד' לסה"נ, ומטבעות, שהמאוחרים בהם מתוארכים למאה הד' לסה"נ. נראה כי מבנה הבזיליקה נבנה בזיקה למערת הקבורה; מהות המבנה אינה לגמרי ברורה, שכן החפירה באזור האפסיס לא מוצתה.
 
שלב 4. נחשפה כנסייה, שנבנתה אל תוך מבנה הבזיליקה משלב 3, תוך ניצול חלק מהקירות והעמודים שלו (איורים 5, 6). הכניסה מצפון-מערב דרך אטריום ונרתקס חיצוני אל פתחים גדולי ממדים. הכנסייה כוללת אולם תווך (5.3×10.6 מ'), שתי סיטראות, אפסיס ושני חדרים דמויי ר סמוך לאפסיס. הסיטראות מופרדות מאולם התווך בשני טורים מקבילים של עמודים, בכל טור ארבעה עמודים. העמודים עשויים משיש אפור בהיר מיובא, ולהם בסיסים רבועים זהים וכותרות קורינתיות. הסיטרה הדרומית-מערבית (2.7×14.0 מ') צרה מזו הצפונית-מזרחית. כל הרצפות בכנסייה עשויות פסיפסים צבעוניים מרהיבים (איורים 7, 8). בקטעי הפסיפס שהשתמרו באולם התווך, באפסיס ובבמה המוגבהת שבחזית האפסיס (פרסביטריום) בולטים תיאורי בעלי החיים, לעומת זאת בפסיפסים בסיטראות בולטים דגמים גיאומטריים. הפסיפסים באפסיס ובבמה מורכבים מאבנים קטנות מאלה שביתר הפסיפסים, כנראה בשל חשיבות המקום.
בכנסייה הובחנו שני שלבים. לשלב הקדום (4א) שייכות רצפות הפסיפס באולם התווך ובסיטראות. כן, בשלב זה רוצף החדר שמדרום לאפסיס בשיש, כנראה בשל חשיבותו הרבה; זהו החדר היחיד בכנסייה שרוצף בשיש. יתכן שבחדר הוצג שריד קדוש (relic). גם החדר שמצפון-מזרח לאפסיס היה בעל חשיבות. הקיר הדרומי שלו מעוגל מפנים ומעוטר בכרכוב (איור 9) ובמקום זה הייתה בשלב 4א ירידה אל מערת הקבורה משלב 3 (לכן אפשר לכנות את החדר מרטיריון). מערת הקבורה נמצאת מתחת לאפסיס, ונראה שהיא העילה לבניית הכנסייה. המעבר אל החדר נעשה דרך פתח בקיר המזרחי של הסיטרה הצפונית. יש הפרש גדול בין המפלס הגבוה של רצפת הסיטרה למפלס הנמוך של רצפת החדר, ולכן סביר להניח כי במקום עמד גרם מדרגות מעץ. רצפת החדר עשויה פסיפס לבן, אך היא לא נחפרה, ואי אפשר לקבוע אם היא שייכת לשלב הקדום או המאוחר במבנה. על סמך הכרכוב נראה כי בשלב 4א החלק הדרומי של החדר היה מקורה בחצי כיפה. מתחת לכרכוב השתמרה שכבה של טיח שכיסתה את אבני הגזית, ועליה שרידי הצבעים אדום וצהוב. נראה שחדר זה היה מעוטר בציורי קיר.
בשלב המאוחר (4ב) הורחבה הבמה שבחזית האפסיס לכיוון אולם התווך, למערב, ונבנו לה שתי מדרגות שדופנו בשיש. על סמך שקעים שהתגלו במדרגה העליונה, עמודונים ושברי לוחות סורג מסותתים משיש שהתגלו במקום נראה כי בשלב זה נבנה סביב הבמה סורג שיש. הבמה והאפסיס רוצפו בפסיפס צבעוני. שני פתחים צרים איפשרו מעבר מן האגפים אל הבמה. בחלק הצפוני של הבמה הושאר פתח צר בסורג, כדי לאפשר מעבר אל דוכן ההטפה. בחלק הצפוני-מזרחי של אולם התווך התגלה שבר רגל של דוכן הטפה עשוי שיש, לא באתרו. בשלב זה סתמו את הפתח בין הסיטרה הצפונית-מזרחית למרטיריון, ולאורך הקיר המשותף נבנה במרטיריון ספסל אבן. אפשר שבשלב זה נסתם הפתח שהוביל לקבר באמצעות טיט לבן קשה והונחו לוחות אבן ברצפה מסביב לפתח. לוחות אלה פגעו בשולי רצפת הפסיפס הלבן. בשלב זה נבנה צמוד לקיר הדרומי של המרטיריון מתקן חצי עגול מלבני חרס שטויחו. לאורך חלקו העליון של המתקן נבנה ספסל. יתכן שזהו אגן טבילה שהוקם במכוון מעל הפתח שהוליך אל הקבר. בשלב 4ב או בשלב 5 נבנה במרטיריון פתח חדש שאיפשר כניסה ישירה מחוץ לכנסייה אל המרטיריון ולא דרך הסיטרה.
בסיטרה הדרומית-מערבית התגלו ארבע אומנות איתנות נפולות; הן עוטרו בכריסטוגרמה, צלב ובראשו לולאה שיחדיו מהווים מונוגראמה של האותיות היווניות X ו-Ρ, קיצור השם כריסטוס. באומנות אלו ישנם שקעים, המלמדים על שלב בו תוקן הקירוי שמעל אגף זה. בשלב מאוחר טויחו האומנות בשכבה דקה של טיח לבן שהסתיר את הצלבים (איור 10). יתכן שמלאכה זו נעשתה על ידי מוסלמים שהשתמשו במבנה הכנסייה.
על סמך ממצא כלי החרס, המטבעות, סגנון הכותרות, העמודים והפסיפסים יש לתארך את הכנסייה למן הרבע השלישי של המאה הו' לסה"נ ועד לחורבנה ברעידת האדמה בשנת 749 לסה"נ.
 
שלב 5. לאחר התמוטטות הכנסייה ברעידת האדמה חודשה הבנייה באזור הנרתקס והאטריום ומצפון למבנה החרב. נחשפו שרידי קירות של חדרים ומתקנים, שנבנו מאבנים ופריטים אדריכליים מהכנסייה בשימוש משני. בכמה חדרים התגלו תנורי בישול; הממצא הקרמי כולל סירי בישול מהתקופה העבאסית. אופי היישוב בשלב זה השתנה לחלוטין. לא עוד מבנה ציבור מרכזי כי אם מגורים דלים הממחזרים את חומרי הבנייה מהריסות הכנסייה.
 
שלבים 6 ו-7. בתקופות הממלוכית והעות'מאנית התקיימה באתר פעילות מצומצמת. מדרום לכנסייה הוקמו מדרגות עיבוד, שבקירות התמך שלהן שולבו אבנים ופריטים אדריכליים קדומים בשימוש משני.
 
מן החפירה עולה כי תחילת היישוב באתר בשלהי ימי הבית השני. נראה כי היה זה יישוב יהודי שהתארגן לקראת הפעולות של הצבא הרומי לדיכוי המרד. לאחר חורבן היישוב במרד בר-כוכבא נותר המקום נטוש עד שבמאה הד' לסה"נ הותקנה באתר מערת הקבורה, שנותרה להערכתנו בכוונה ללא שימוש. נראה שבזיקה למערת הקבורה נבנה מבנה בזיליקה שרוצף פסיפס לבן. במאה הו' לסה"נ נבנתה כנסייה אל תוך מבנה הבזיליקה הקדום. חומרי הבנייה היקרים של הכנסייה, ובהם עמודי השיש והרצפות, מלמדים כנראה כי בבנייתה היה מעורב תורם בעל יכולת כלכלית גבוהה, אולי הבישוף של אלויתרופוליס (בית גוברין) ואולי תורם אחר שפעל בתיאום עם הבישוף. בכנסייה היו כנראה שלושה מוקדים פולחניים שנועדו למשוך צליינים, ובהם האפסיס, הקבר שמתחת לכנסייה והחדר שמדרום לאפסיס בו היו אולי שרידים מקודשים. לאחר הכיבוש המוסלמי המשיך השימוש במבנה הכנסייה. הצלבים שעיטרו את אומנות האבן הגדולות הוסתרו באופן מכוון בשכבה של טיח. הגישה אל הקבר והמתקן (לטבילה?) שמעליו שונתה כך שלא היה צורך עוד במעבר דרך הכנסייה. מעניינת השאלה מה הייתה הזהות הדתית של הקהל שהשתמש עתה בכנסייה. הייתכן שהכנסייה שימשה כעת נוצרים ומוסלמים, יחד או לחוד? או שמא נוצרים מקומיים שהתאסלמו? לאחר חורבן הכנסייה ברעידת האדמה הגדולה בשנת 749 לסה"נ חודש במקום יישוב דל בתקופה העבאסית, כנראה במחצית השנייה של המאה הח' לסה"נ או במאה הט' לסה"נ. לא ברור מתי ומדוע ננטש האתר. בתקופות הממלוכית והעות'מאנית התקיימה באתר ובסביבתו בעיקר פעילות חקלאית.
על סמך תיאור המקומות הקדושים בדרך לבית גוברין המופיעים במפת מדבא הציעו (בעל פה) ע' דהרי ול' די סגני שייתכן והכנסייה בחורבת מדרס שייכת למכלול קבר זכריה.