בחודש מרס 1999 נערכה חפירה באולם התווך של הכנסייה בשבי ציון (הרשאה מס' 3025-A*; נ"צ — רי"ח 20801-2/76570-1; רי"י 15801-2/26570-1), לקראת החזרת רצפת הפסיפס שהוצאה למטרות שימור. החפירה, מטעם רשות העתיקות, נוהלה על ידי א' טצ'ר, בסיועם של ח' טחן (מדידות, שרטוט וציור), ד' שיאון (נומיסמטיקה) וא' אלטמרק (מעבדת מתכת).
הכנסייה נחפרה ב-1955 על ידי מ' פראוסניץ (Prausnitz M.W., Excavations at Shavei Zion, Roma, 1967).
נפתחו שני ריבועים בשטח כולל של 25 מ"ר שבהם נתגלו קטעי קירות ורצפות והובחנו שלוש שכבות יישוב (איור 1).
בשכבה III, המתוארכת לתקופה הפרסית, נתגלה קטע רצפה (לוקוס 21, 3 ס"מ עובי) עשויה גיר כתוש מעורב בקונכיות שהונחה על גבי שכבה של שברי כלי חרס (לוקוס 24, איור 3: 3-1).
בשכבה II, שזמנה סוף התקופה הפרסית וראשית התקופה ההלניסטית (איור 2), נתגלו שני קירות (W19 ,W14) ניצבים זה לזה. אל קיר 19 ניגשה מדרום רצפה עשויה טיח (לוקוס 23, 1 ס"מ עובי) ואל קיר 14 ניגשה ממערב רצפה עשויה טיח מעורב בקונכיות (לוקוס 20, כ-0.2 מ' עובי) ועליה שריד של מיתקן (W18). על הרצפה נמצאו שברי כלי חרס (איור 3: 7-4), ראש צלמית (איור 3: 8), פלך (איור 3: 9), כמה חפצי ברונזה ומטבע צורי אוטונומי מהמאה הד' לפסה"נ (ר"ע 84631; איור 4).
בשכבה I, המתוארכת לתקופה הביזנטית, נתגלה רובד מילוי חול (לוקוסים 16, 17) ובו שברי קנקנים מהתקופה הביזנטית המאוחרת (איור 3: 10, 11). על מילוי זה הונחה התשתית לרצפות הכנסייה ולעמודיה (לוקוסים 12, 13).
פראוסניץ קבע את תאריך ייסוד הכנסייה למאה הד' לסה"נ ועל פי תאריך המצוין בכתובת הקדשה ביוונית על רצפת הפסיפס בנרתקס המערבי תוארכו חלקיה האחרים לשלהי המאה הה' לסה"נ. על פי השערתו חרבה הכנסייה בשלהי המאה הו' או ראשית המאה הז' לסה"נ. כלי החרס מהתקופה הביזנטית המאוחרת שנמצאו במקום שבו עמד הסורג מלמדים כי אף שהכנסייה נבנתה במאה הה' לסה"נ, נעשה במאה הו' לסה"נ תיקון באזור הסורג שהוגדל על חשבון אולם התווך.