Впервые археологические работы на территории Хлыновского кремля были начаты в 1935 г. М. П. Грязновым. В 1956-1958 гг. Л. П. Гуссаковский заложил два раскопа и шесть шурфов. В 1980-е гг. Л. Д. Макаров заложил ряд разведочных шурфов, проследил разрез вала и слоя Хлыновского городища на протяжении 207 м (по ул. Московской), провел раскопки к югу от бывшего архиерейского дома.

В течение последнего десятилетия на территории кремля проведен ряд спасательных археологических раскопок:
в 2012 г. А. Л. Кряжевских на ул. Спасской, 9а;
в 2013 г. С. Е. Перевощиковым к западу от бывшего архиерейского дома;
в 2015 г. Р. В. Матвеевым на южном краю кремлевского холма был прослежен разрез вала с остатками внутривальных конструкций.

Археологическое изучение территории посада начинается в 1935 г. и затрагивает систему посадских укреплений, разделяющих посадскую часть и Владимирскую слободку, овраг Малая Засора, а также участки, прилегавшие к Преображенскому женскому монастырю, и приходские кладбища Покровской и Воскресенской церквей.

В 1990-2010-х гг. регулярные исследования культурного слоя посада предпринимались Е. А. Кошелевой, Н. А. Ханом, Т. А. Медведевой, А. Л. Кряжевских. В начале 2000-х гг. Е. А. Кошелева провела охранные исследования посадских укреплений, в ходе которых изучена территория, прилегающая к Ильинской и Никитской проезжим башням.

На данный момент достаточно хорошо исследованы только территории вдоль р. Засоры, участки по линии земляных укреплений Большого города (посада) и внутри Малого города (кремля).

Археологическое изучение 2000-2010-х гг. связано с новой застройкой города.