Theo báo cáo của Bảo tàng lịch sử quốc gia, sau khi thám sát và khai quật khảo cổ học trên diện tích gần 900m2 tại 4 mặt lũy thành và trong lòng khu di tích. Kết quả khảo cổ thể hiện những dấu tích nền móng kiến trúc thời Nguyễn như: bậc cấp, lối đi của 2 cổng, hệ thống tường thành, pháo nhãn cùng dấu vết nền móng kiến trúc nhà Trú Sở và Vũ Khố. Ngoài ra, trong quá trình khai quật cũng đã phát lộ nhiều dấu tích kiến trúc được xây dựng trong giai đoạn từ 1946 đến 1975, khi quân đội Pháp và Mỹ đồn trú tại đây.

Cổng Hải Vân Quan hiện nay vẫn còn giữ nguyên kết cấu bằng cuốn vòm gạch vồ, chân bó đá Thanh, nền lát đá sa thạch. Hệ thống bậc cấp được xếp bằng đá núi. Với vai trò là một lũy thành phòng thủ, kiểm soát an ninh qua lại trên đường thiên lý Bắc - Nam cũng như các tàu thuyền trên biển, từ cổng Hải Vân Quan lên cổng Thiên hạ đệ nhất Hùng quan (THĐNHQ) được xây dựng một hệ thống tường thành khép kín, bao bọc toàn bộ khu di tích. Qua khai quật và nghiên cứu cho thấy quy mô của tường thành xây dựng thời Nguyễn có phạm vi phân bố rộng hơn hệ thống tường thành hiện nay. Hệ thống chân móng rộng, có kích thước 2,2m được xếp bằng đá núi, khít mạch. Kích thước của các đoạn tường đoạn phía bắc nối từ Hải Vân Quan đến THĐNHQ được xây xếp gấp khúc tạo thành các góc tù chứ không phải hình vòng như hiện trạng.

Trong quá trình khai quật cũng đã thu thập được một số các loại hình di vật, bao gồm vật liệu gạch, ngói, mảnh vỡ các loại hình đồ sành, sứ, gốm men, đồ đất nung và mảnh bia đá thời Nguyễn. Bên cạnh đó là các đồ sinh hoạt được làm bằng sắt, inox và thủy tinh của binh lính quân đội Pháp, Mỹ. Trên cơ sở kết quả khai quật khảo cố học, di tích Hải Vân Quan này sẽ cung cấp thêm nhiều thông tin khoa học để phục vụ hiệu quả cho công tác thiết kế, tu bổ, tôn tạo, phục hồi di tích và phát huy trưng bày tại di tích được Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch công nhận là Di tích lịch sử và kiến trúc nghệ thuật cấp quốc gia (2017).