Có nhiều thư tịch cổ chép về trung tâm hoàng thành Thăng Long xưa với những cung điện nguy nga, tráng lệ trên một qui mô to lớn và phát triển liên tục qua các triều đại, nhưng chưa ai có thể định hình ra được nó nằm ở đâu, được xây dựng như thế nào, kiến trúc ra sao, bởi tất cả những công trình này đã bị vùi sâu trong lòng đất hàng ngàn năm do nhiều nguyên nhân khác nhau. Thế rồi cuộc khai quật cổ học tại 18 Hoàng Diệu lần đầu tiên giúp cho giới sử học tận mắt thấy một phần lớn diện mạo kiến trúc hoàng thành Thăng Long thời Lý, thời Trần, thời Lê và nhiều di vật quan trọng khác.
Từ trước cho đến khi cuộc khai quật khảo cổ này được bắt đầu, trong giới khảo cổ, sử học đã có hai luồng ý kiến về vị trí của thành Thăng Long thời Lý, Trần, Lê. Một là trung tâm Thăng Long thời Lý, Trần, Lê là điện Kính Thiên vẫn còn nền móng và các thành bậc chạm rồng và sứ hoa văn thời Lê sơ. Ý kiến sau cho rằng thành Thăng Long thời Lý, Trần ở phía tây Vườn bách thảo. Vào những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, giới khảo cổ tổ chức khai quật một số địa điểm như Hậu Lâu, Tràng Tiền, Hàng Dầu, Đoàn Môn, Bắc Môn, Văn Miếu, Trần Phú... với mong muốn tìm kiếm các di tích kiến trúc của những cung điện Thăng Long - Hà Nội cổ, nhưng chỉ mới phát hiện được vài dấu tích kiến trúc và một số di vật khác. Chính cuộc khai quật khảo cổ tại số 18 Hoàng Diệu lần này đã mở ra cho giới khảo cổ nhiều triển vọng tìm về trung tâm hoàng thành Thăng Long thời Lý, Trần, Lê.
Qua bóc tách các lớp đất ở độ sâu từ 1m trở xuống và dầy 2,3–5m đã xuất hiện nhiều dấu vết các thời đại sắp chồng lên nhau. Qua các hố khai quật trên một diện tích hơn 14.000m2, các nhà khảo cổ đã làm xuất lộ được gần hết di tích nền móng của cung điện có chiều dài 62m, rộng 27m (diện tích 1.674m2 với chín gian nhà) thuộc thời Lý, Trần. Cung điện có một hệ thống 40 trụ móng cột được sử lý rất kiên cố bằng sỏi và gạch ngói. Để có thể hình dung rõ hơn về diện mạo kiến trúc cung điện này, nhóm khảo cổ đã mời 40 công nhân đứng trên 40 trục móng, lúc này họ mới hình dung được qui mô của cung điện. Tại hố khai quật A1 còn tìm thấy hệ thống móng trụ của thủy đình ven sông ... Điều đáng ngạc nhiên hơn, tại đây đã phát hiện một giếng nước thời Lý xây gạch đường kính 68cm, sâu 2,5m cùng với hai giếng nước thời Lê. Một điều cũng gây ngạc nhiên và khá lý thú không chỉ đối với khảo cổ học mà còn với những nhà xây dựng hiện nay, đấy là qua các hố khai quật có thể thấy những hệ thống cống thoát nước gần 1.000 năm vẫn còn khá nguyên vẹn.
Ở khu vực Hà Nội chưa có cuộc khai quật khảo cổ nào lại mang đến một số tượng di vật lớn và có giá trị như cuộc khai quật này. Tổng số di vật ước tính khoảng hơn 3 triệu, chủ yếu là gạch, ngói và đồ gốm trang trí kiến trúc. Có đến hàng ngàn viên gạch xây cung điện, lầu gác ở Thăng Long, trong đó đáng chú ý là các viên gạch có khắc chữ Hán “Đại Việt quốc dân thành chuyên” để nói rõ là gạch xây kiến trúc của nước Đại Việt thời Lê, gạch “Lý gia đệ tam đế Long Thụy Thái Bình tứ niên tạo”, là gạch xây cung điện nhà Lý năm 1057; gạch “Vĩnh Ninh trường” xây dựng các cung điện thời Trần; gạch “Tam phụ quân, Tráng phong quân”... chỉ dùng xây dựng các kiến trúc thời quân đội thời Lê Thánh Tông. Các tượng rồng, phượng cỡ lớn cũng được tìm thấy với kích thước khá lớn, cao gần đầu người, chứng tỏ các kiến trúc thời Lý, Trần, Lê ở đây được xây dựng rất công phu và đẹp đẽ. Trong một hố khai quật khác, đã phát hiện các loại gốm sứ cao cấp với các biểu trưng chỉ dành riêng cho nhà vua như hình rồng năm móng và chữ “Quan”, do Việt Nam tự sản xuất với kỹ thuật cao, ngoài ra còn có súng thần công, một số loại vũ khí, tiền đồng và đồ dùng sinh hoạt, đồ trang sức bằng kim loại đen, kim loại màu, cùng loại có ánh vàng cũng được phát hiện.
Mặc dù cuộc khai quật sẽ còn tiếp diễn với hàng ngàn mét vuông trong khu vực nhưng qua các di tích kiến trúc được tìm thấy, các nhà khảo cổ học bước đầu nhận định: toàn bộ các di tích đã phát hiện nằm trên qui hoạch mặt bằng tổng thể của một khu vực khoảng 40.000m2 ở phía tây của hoàng thành Thăng Long thời Lý, Trần, Lê. Thời kỳ tiền Thăng Long đây là trung tâm thành Đại La. Thời kỳ Lý, Trần có thể là điện Càn Nguyên (hay còn là điện Thiên An) và thời Lê đây là cung điện của một vị hoàng hậu của vua Lê Thánh Tông.
Bộ Văn hóa - thông tin, Trung tâm khoa học xã hội & nhân văn quốc gia, Hội Khoa học lịch sử VN đã tổ chức nhiều cuộc hội thảo, diễn đàn khoa học để tìm giải pháp bảo vệ và phát huy các di tích vừa được phát hiện. Trong một cuộc họp mới đây do Trung tâm Khoa học xã hội & nhân văn quốc gia tổ chức, đại đa số các nhà khoa học đồng tình kiến nghị cần được tiếp tục khai quật mở rộng, cuộc khai quật chỉ mới được tiến hành trên một nửa diện tích, cho nên chưa có thể đánh giá được một cách đầy đủ về các di tích đã phát lộ, đặc biệt là trung tâm chính của hoàng thành Thăng Long cổ xưa.