האתר זוהה לראשונה כמקום מושבה של בית השמש המקראית על ידי רובינסון. בראשית המאה הכ' (1911–1912) נחפר התל לראשונה על ידי ד' מקנזי, שחשף ביצורים מתקופת הברונזה התיכונה, בהם שער מפואר בחלק הדרומי של התל. כמו כן נתגלה מבנה עצום ורחב ממדים – 'המנזר הביזנטי' (Bunimovitz and Lederman 2013; Mackenzie et al. 2016). בשנים 1929–1933 חפר גרנט בחלקו המערבי של התל וחשף שכבות יישוב מתקופות הברונזה המאוחרת, הברזל 1 והברזל 2 (Grant and Wright 1939). מראשית שנות התשעים של המאה הכ' ועד ימינו חופרים בתל ש' בונימוביץ וצ' לדרמן מטעם אוניברסיטת תל אביב ובחפירותיהם נחשפו והוגדרו תשע שכבות יישוב, למן תקופת הברונזה התיכונה 2ב ועד לסופה של תקופת הברזל 2ב וכן מאגר מים (Bunimovitz and Lederman 2016).

לצד חפירות אלו נערכו כמה חפירות הצלה: לקראת סלילת כביש 38 בסוף שנות ה-60 של המאה הכ' גילה ו' צפיריס (תשכ"ט) ממצאים מתקופות הברזל והביזנטית (מיקומה המדויק של החפירה אינו ידוע). ב-2012 חפר א' נתיב ריבועי בדיקה בשוליים המזרחיים של התל (הרשאה מס' 6439-A) ונתגלו בה שרידים מהתקופות הממלוכית, הביזנטית והברזל 2ג. ב-2013 חפר נ' בן-ארי ריבועי בדיקה במתחם קבר השיח' וחשף כי המתחם הוקם בתקופה העות'מאנית (הרשאה מס' 6836-A; ר' Ben-Ari forthcoming).
 
בחפירה הנוכחית נחשפו שמונה שכבות יישוב:
שכבה
תקופה
1
עות'מאנית (המאות הט"ז–הי"ט לסה"נ)
2
ממלוכית (המאות הי"ד–הט"ו לסה"נ)
3
אסלאמית קדומה (המאות הח'–הי"א לסה"נ)
4
ביזנטית מאוחרת/אסלאמית קדומה (המאה הז' לסה"נ)
5
ביזנטית (המאות הד'–הו' לסה"נ)
6
הלניסטית מאוחרת/חשמונאית? (המאה הב' לפסה"נ)
7
ברזל 2ג (המאות הז'–הו' לפסה"נ)
8
קודם לתקופת הברזל 2ג
 
שטח G
נפתחו שבעה ריבועים ונחשפה חלקית דרך קדומה שכיוונה צפון–דרום (איור 3). הדרך תחומה במזרח באבני שדה גדולות שאליהן ניגשת תשתית בנויה מאבני שדה קטנות ובינוניות. בריבועי הבדיקה הסמוכים נמצאו חרסים מתקופות הברזל 2ב–ג ולפיכך אפשר להציע שהדרך נבנתה לכל המוקדם בתקופות אלו. דרך דומה נתגלתה בתל לכיש ותוארכה לתקופת הברזל 2ג (אוסישקין תשע"ג:317). דגימות OSL שנלקחו מתחת לדרך יסייעו בעתיד במתן תיארוך מדויק יותר.
 
שטח H
תת-שטח H1
נפתחו חמישה ריבועים בשטח שממזרח לכביש 38 ומדרום למתחם קבר השיח' ונתגלו שרידים משכבות 6–8. לשכבה 8 מיוחס פיר חצוב בסלע שנחפר חלקית; בחלקו התחתון נמצאה אבן גדולה וייתכן שחסמה פתח המוביל לחלל קבורה. לשכבה 7 שייכים שרידי מבנה שנחשף לאורך 10 מ' בכיוון דרום-מערב–צפון-מזרח ובו לפחות שלושה חדרים סדורים בטור (איור 4). על סמך ממצא החרסים הרב נראה שהמבנה שימש לכל המוקדם בתקופת הברזל 2ג. המבנה נבנה בחלקו מעל לפיר משכבה 8. בשכבה 6 נחפרו לתוכו כ-13 קברי שוחה, מהם נחפר קבר אחד ולא נתגלה בו ממצא מתארך. סמוך לקברים נתגלו שברי כלי חרס רבים מהתקופה ההלניסטית המאוחרת/חשמונאית (המאה הב' לפסה"נ).
תת-שטח H2
בשטח, הצמוד מצפון למתחם קבר השיח', נחפרו 10.5 ריבועים שחולקו לשלושה מקבצים: דרום, מרכז וצפון, על פי תוצאות חתכי הבדיקה והממצא על פני השטח.
תת-שטח H2 דרום. נפתחו חמישה ריבועים (איור 5). סמוך להם נוקתה מערה גדולה משכבת פסולת מודרנית וניתן היה להבחין בארבעה פתחים ובחציבות בדפנות, שבחלקן בניית גזית. פתח אחד, כנראה המקורי, נחצב בחלק המזרחי של גג המערה (דרכו צומחת היום תאנה). פתח שני, בחלק הצפוני, הוא כנראה פריצה מאוחרת. בשולי הפתח השלישי, ממערב לפתח המקורי וסמוך למתחם קבר השיח', נמצאו שרידי בנייה שקרסה פנימה לתוך המערה, ייתכן קירוי שנוסף למערה בשלב מאוחר. הפתח הרביעי מתחת לשרידי הבנייה/קירוי, בדופן הדרומית של המערה, בנוי מאומנות גזית (איור 6) והוביל כנראה למתחם קבר השיח' במעבר תת-קרקעי. בתוך המערה נתגלתה משקולת טרפזית. בדופן המערבית גומחה חצובה ולה אומנות גזית (איור 7). צמוד מצפון-מזרח לגומחה נחשף ראש משקולת גלילית של בית בד ונראה שהגומחה שימשה לעיגון קורת הבד. חלל נרחב הנמשך צפונה מתחת לפתח בדופן הצפונית מצביע כי המערה גדולה בהרבה מהמשוער.
מצפון לפתח המערה נחשף בור אשפה של חרסים שנזרקו על ידי אחת מהמשלחות הראשונות שחפרו בתל, ממזרח לו מתקן חצוב ובו שתי 'שקתות', ומעליו שתי רצפות, זו מעל זו, המתוארכות לתקופה האסלאמית הקדומה/הביזנטית (שכבה 4) וביטלו את המתקן. בחלק הדרומי-מזרחי של השטח נתגלו מעל הסלע הטבעי חרסים מתקופות הברזל 2ג והפרסית. מעל הרצפות משכבה 4 נתגלו שבעה שלבי בנייה מהתקופה העות'מאנית (שכבה 1).  
תת-שטח H2 מרכז. נפתחו ארבעה ריבועים וחצי. מן השכבה הקדומה, המתוארכת כנראה לתקופה הביזנטית (שכבה 5), נחשף חלק ממבנה ציבורי גדול (איורים 8, 9) שנבנה בבנייה איתנה, מדורגת, מאבני גזית שלהן סיתות שוליים, והשתמרה לגובה של לפחות ארבעה נדבכים. באחד החדרים נתגלה קטע קטן מרצפת פסיפס שעוטר בעיטורים גיאומטריים (איור 10). בחלקו הצפוני של המבנה נתגלו שני פירים רבועים ובנויים היורדים למאגר מים סגלגל חצוב בסלע ומטויח (איור 11), שהיה כנראה בקומת המרתף של המבנה. צמוד לפן הצפוני של המבנה ומראשו הונח מילוי מכוון של אדמה ואבנים בינוניות וגדולות. מתוך המילוי נאספו חרסים, בעיקר מהתקופה הביזנטית (שכבות 4, 5). מהותו של המילוי אינה ברורה. על גג המאגר התת-קרקעי נמצאה רצפת טיח ועל גבה נבנה מתקן עגול ומטויח המתוארך ככל הנראה לתקופה האסלאמית הקדומה. נראה שהפירים והמאגר המשיכו להתקיים בשכבות 3 ו-4. על המילוי המכוון נבנו קטעי קירות ומפלסי חיים המתוארכים ככל הנראה לתקופה האסלאמית הקדומה (שכבה 3). מעל לשרידים אלו הוקם מבנה המתוארך לתקופה העות'מאנית (שכבה 1).
תת-שטח H2 צפון. בשטח הצפוני-מערבי בחפירה נפתח ריבוע אחד (איור 12). מגובה פני השטח ועד לעומק 4 מ' נחשף מילוי ובו חרסים המתוארכים לתקופת הברזל 2ג ולתקופות הביזנטית והאסלאמית הקדומה. בעומק 2 מ' נחשף קיר בנוי במרושל על גבי הסלע הטבעי, בציר מזרח–מערב. מדרום, במקביל וצמוד לקיר, נחשף קיר נוסף מאבני שדה גדולות וביניהן מילויים של אבנים קטנות ובינוניות. ייתכן כי קירות אלה שישמו קירות תמך ו/או טרסות.
תת-שטח H3
בשטח המזרחי בשטחי החפירה נחפרו 14 ריבועים שחולקו לשלושה מקבצים: דרום, מרכז וצפון.
תת-שטח H3 דרום. בחלק הדרומי של השטח ובמעלה הגבעה, נפתחו שמונה ריבועים וחצי בטור רחב שאינו רציף, בציר צפון–דרום כלפי מורד הגבעה ושניים נוספים, ניצבים לטור ממערב.
בריבוע הצפוני בטור נחשף קטע מקיר צפוני של מבנה מרשים (איור 13). בקיר פתח ובו סף שלו פותה. הפתח פונה לדרום ובמערבו מזוזת אבן גדולה. קירות המבנה בנויים אבני שדה מהוקצעות וגדולות וללא חומר מלכד. אל הקיר והפתח ניגשה ממזרח רצפה צהבהבה שהכילה אבנים קטנטנות בדומה לחצץ. במילוי החתום מתחת לרצפה נמצאו חרסים רבים המתוארכים לתקופת הברזל 2ג. מדרום לקיר נחשפה רצפה דומה שהונחה הישר על גבי סלע האם והיא נמשכת מתחת למזוזת האבן הגדולה, ולפיכך אבן המזוזה הונחה בשלב מאוחר.
עוד עולה מהחפירה כי המבנה שימש בתקופה העות'מאנית על סמך שלב בנייה מתקופה זו שנמצא מצפון לקיר, המשלב את המבנה בתוכו, ובור אשפה מצדו הדרומי של הקיר שהכיל עצמות בעלי חיים רבות, שברי עצים שרופים וחרסים מהתקופה העות'מאנית.
בחלקו הדרומי של הטור, בעומק 4 מ' מפני השטח, נחשף קטע מריצוף אבן מרשים (איור 14) המתוארך לתקופה הביזנטית (שכבה 5). בצדו המערבי נחשף סלע האם ונראה שהריצוף לא שרד שם. ממערב לקטע הריצוף החסר נחשפו קטעי קירות בהשתמרות גרועה. כ-2 מ' מדרום לריצוף נחשף קטע קטן מרצפת טיח המתוארכת לתקופה האסלאמית הקדומה (שכבה 3) ונמצאה בה משקולת זכוכית.
סמוך לפני השטח נתגלו שרידים המתוארכים לשכבה 1, בהם מפלסי אפר, שרידי מוקדים וקטעי יסודות קירות בהשתמרות גרועה, שני טבונים, כמות גדולה של עצמות בעלי חיים ובור אשפה נוסף (כ-4 מ' עומק) שחתך את צדו המזרחי של ריצוף האבן המרשים משכבה 5.
בריבוע הדרומי, במעלה הגבעה, נחשף מבנה אומנות רבוע (6 × 6 מ'; איור 15) שלו ארבע אומנות וקירות צמודים, המקיפים את מבנה האומנות. נראה כי הקירות המקיפים הם תוספת מאוחרת ובמקור היה זה כנראה מבנה אומנות, שאולי נשא כיפה. בבור בדיקה שנעשה לצד האומנה הצפונית-מערבית התברר שיסודה נבנה על גבי הסלע לעומק של כ-4 מ' מתחת למפלס האומנה והוא חודר לרצפה האסלאמית הקדומה (איור 16). בחתך נראה היטב כי ליסוד ניגשים מילויים קונסטרוקטיביים שהונחו במקביל להנחת נדבכי היסוד. בתוך המילויים נתגלו חרסים מן התקופה העות'מאנית (שכבה 1). נראה אם כן כי לצורך הבנייה הונח מילוי להרמת מפלס המבנה הרבה מעל גובה פני השטח הקדומים שהיו אז.
תת-שטח H3 מרכז. נפתחו כשלושה ריבועים וחצי. מן השכבה הקדומה, שתאריכה לא הוברר, נחשף פיר עמוק עגול וצר (כ-0.5 מ' קוטר, 4.7 מ' עומק) המוביל ככל הנראה לחלל תת-קרקעי גדול. מלבד היותו קדום בוודאות לתקופה הביזנטית (שכבה 4), הפיר דומה לאחד הפירים הצרים של מאגר המים בתל בית שמש, המתוארך למאה הח' לפסה"נ; ייתכן כי הפיר מוביל למאגר מים נוסף מתקופת הברזל 2. מיקומו בפינת מבנה בית הבד שנבנה מעליו וסתימתו המכוונת בלוח אבן מעידה כי אינו קשור לבית הבד וכי הוא נחשף ככל הנראה בעבר על ידי בוני בית הבד.
בית הבד (התקופות הביזנטית והאסלאמית הקדומה, שכבות 4, 5; איור 17). בשני ריבועי חפירה נחשף חלקו הצפוני של מבנה ששימש בית בד על פי משקולת גדולה לבורג שנתגלתה באתרה ולפי חלק מהמפרכה הבנויה באבנים מסותתות. לבית הבד קירות בנויים אבני גזית גדולות. הובחנו בו שני שלבים: לשלב המאוחר שייך הקיר המערבי הבנוי על גבי ריצוף אבן מן השלב הקדום, המתוארך לתקופה הביזנטית (שכבה 5) כך ששטח כל בית הבד הוצר וצומצם בתקופה האסלאמית הקדומה (שכבה 4). יש לציין כי שרידי בית הבד נמשכים מעבר לשני הריבועים שנחפרו.
שרידי בנייה מהתקופה הביזנטית (שכבה 5). בריבועים שמצפון-מזרח ובמרחק של כ-20 מ' מבית הבד נמצאה שכבת מילוי מהתקופה הביזנטית ומתחתיה נחשף קטע מקיר מסיבי בנוי אבנים גדולות ומהוקצעות, בציר מזרח–מערב (איור 18). מדרום ניגשה לקיר תשתית מהודקת של אבנים וטיט שנבנתה על גבי מילוי מכוון שהכיל אבני בנייה גדולות ומהוקצעות שהונחו במפוזר כדי לפלס את הגובה הרצוי לבניית התשתית. בפירוק התשתית נמצאו חרסים המתוארכים לתקופה הביזנטית.
מעל לשכבה הביזנטית נחשפו שרידי שלושה חדרים מהתקופה העות'מאנית (שכבה 1) שלהם שלבי בנייה אחדים. לחדר המזרחי סף כניסה מצפון. באחד החדרים הרצפה הייתה מאדמה כבושה ומעורבת בחומר גירני לבנבן. מתחתיה לפחות שלוש רצפות המתוארכות אף הן לתקופה העות'מאנית.
שרידי הכפר העות'מאני (שכבה 1). מעל לבית הבד משכבה 4 נחשפו שרידים, בהם חלק ממבנה שלו קיר עבה בציר צפון–דרום, שחילק את השטח לשני חדרים: מזרחי ומערבי. בקיר העבה הובחן בחלק מאגן ריסוק של בית בד בשימוש משני. רצפת החדרים הייתה בנויה מטיח לבן עבה. בחדר המערבי (איור 19) נחשפו מתקנים אחדים מאבן שנבנו צמוד לקיר.
 
בריבועים שמצפון-מזרח לבית הבד ומעל לשכבה הביזנטית נחפר רובד אדמה (כ-0.7 מ' עובי), שבו נחשפו חרסים עשויים ביד ובעלי עיטור גאומטרי המתוארכים למאות הי"ג–הי"ד לסה"נ (שכבה 2?). חרסים אלה נמצאו ללא הקשר ארכיטקטוני וייתכן ששרידי המבנים מפרק זמן זה מצויים בקרבת מקום.
תת-שטח H3 צפון. בצפון-מזרח השטח נפתחו שני ריבועים, צפוני ודרומי, ונחשפו בהם שתי שכבות: מהשכבה הקדומה, המתוארכת לתקופה הביזנטית (שכבה 5), נמצא בעומק כ-5 מ' חלק מכבשן עגול (איור 20) הבנוי בהיקפו באבנים גדולות, צדו הפנימי מעוגל ומדופן בלוחות מטין אדמדם. מעל לכבשן נמצא מילוי עבה (4.5 מ') שהכיל חרסים מהתקופה העות'מאנית. מעל המילוי נחשפו שרידי קטע קיר רחב מהתקופה העות'מאנית, בכיוון מזרח–מערב, ומדרומו שרידי מתקן/כבשן שייעודו טרם הוברר כיוון שהמשכו מעבר לגבולות הריבוע.
 
שטח I
בשטח שמדרום-מזרח לתל וממזרח לכביש 38 נפתחו שניים וחצי ריבועים בטור על גבי המדרון המשתפל דרומה וריבוע אחד ממזרח. נחשפו חלקית ובהשתמרות טובה מאוד חלקי מבנים שנבנו הישר על סלע האם במדורג, בהתאמה לשיפועי המדרון, המתוארכים לתקופת הברזל 2ג (שכבה 7; איור 21). בחדרים נמצאו מפולות ורצפות; במפולות, על גבי הרצפות ומתחתן, נתגלו כלים שלמים ושברי כלים רבים מהמאות הז'–הו' לפסה"נ. כן נתגלו כלי אבן וממצא בוטני עשיר, בעיקר גלעיני זיתים. באחד החדרים נמצאו במפולות שתי ידיות 'למלך', הנושאות טביעת חותם דו-כנפית "למלך ממשת". קירות החדרים השתמרו בחלקם לגובה ממוצע של 1.3 מ'. בריבוע הבודד, כ-15 מ' מזרחה, נחשפו שרידי קירות שנבנו גם הם הישר על סלע האם שנחשף קרוב לפני השטח, ומתוארכים אף הם לתקופת הברזל 2ג על פי חרסים (שכבה 7).
 
בחפירה הובחנו שמונה שכבות. ניתן היה לראות הפרדה כרונולוגית ברורה בין הממצא בשטחים: שרידי היישוב מתקופת הברזל 2ג נמצאו מרוכזים בעיקר מדרום למתחם קבר השיח' וממזרח לתל ומעליהם הצטברות פסולת מודרנית, ואילו שרידי היישוב מהתקופה הביזנטית ואילך נמצאו מרוכזים בעיקר מצפון לקבר השיח'.
על אף היקפה המצומצם של החפירה השרידים שנחשפו מעידים בברור על יישוב שהתקיים מהמאה הז' לפסה"נ, בשנים 701–586 לפסה"נ. העיר השתקמה לאחר מסע סנחריב ועברה מזרחה, ממזרח לכביש 38 העובר על אוכף. 
שרידי הכפר עין שמס שננטש לכל המאוחר במחצית הראשונה של המאה הי"ט נתגלו מצפון וממזרח לקבר השיח' בשטחים H2 ו-H3, וכללו מבנים, מתקנים וטבונים/כבשנים. ניכר על פני השטח כי הכפר השתרע מזרחה מעבר לגבולות החפירה. מבין השרידים המתוארכים לתקופה העות'מאנית ראוי לציון מבנה מרשים בחלק המזרחי בראש הגבעה, שנבנה מארבע אומנות וככל הנראה נשא כיפה. המבנה המקורי היה ככל הנראה פתוח לארבע רוחות השמים ובשלב מאוחר הוקף בקירות. לשם הקמת המבנה הושקע מאמץ רב בהנחת מילוי מכוון להגבהת הגבעה הטבעית בכ-5 מ' מעל רצפת הסלע. ברבים מהריבועים ניתן היה לראות כי הכפר נבנה על גבי שרידים מהתקופות הביזנטית והאסלאמית הקדומה. מבנה נוסף ראוי לציון הוא המבנה האיתן מהתקופה הביזנטית בשטח H2 שעשוי להיות חלק ממכלול כנסייתי.
מתוצאות החפירה ניתן לומר בוודאות כי תל בית שמש ממשיך ומשתרע למזרח, לדרום-מזרח ולצפון-ממזרח, לשטחי החפירות שנערכו בו בעבר וכי כביש 38 אינו מהווה את גבולו המזרחי של התל.