A la demande croissante des pèlerins et des visiteurs de vérifier la présence du tombeau de l’Apôtre, deux sondages, basés sur des relevés topographiques et des croquis réalisés lors de la reconstruction de 1829, furent effectués par les archéologues du Vatican.
► Le premier sondage de 2002/2003 permit de découvrir sous les marches de l’autel dédié à saint Timothée, collé au maître-autel, des traces de l’abside de l’ancienne basilique construite au début du 4ème siècle.
► Le second, effectué en 2006 sous l’autel principal de la basilique, à l’intérieur de la Confession, a permis d’accéder au sarcophage, au niveau du sol de la basilique construite par l’empereur Théodose à la fin du 4ème siècle : la plaque de marbre, toujours visibles sous le maître-autel furent retrouvées.
D’autres fouilles ont confirmé la présence d’un cimetière sous la Basilique et tout autour (loculi et fosses) pour les pauvres et les esclaves affranchis.
Mesurant 2,55m de longueur, 1,25m de largeur et haut de 0,97m le sarcophage de marbre possédant un couvercle de 30 cm d’épaisseur est aujourd’hui en partie visible par le public par une ouverture de
50 cm.
Toutefois, on ignore ce qu’il contient. Les radiographies effectuées n’ayant rien révélé, avec l’autorisation du pape, les archéologues envisagent de percer un trou dans la matière qui colmate le couvercle, et de faire passer une sonde endoscopique susceptible d’offrir des images de l’intérieur.
Depuis ces découvertes corroborant la tradition, le tombeau est officiellement déclaré comme celui de l’Apôtre des Gentils rejoignant ainsi les propos du prêtre Gaïus qui vivait sous Zéphyrin, évêque des Romains de 199 à 217 cité par Eusèbe au 3ème siècle et qui fut le premier à rapporter avoir visité les memoria des deux Apôtres : « Je puis te montrer, écrit-il à Proclus, les trophées [monuments funéraires] des Apôtres. Que tu ailles au Vatican ou sur la route d'Ostie, tu y trouveras les trophées de ceux qui ont établi l'Église romaine ».
L'édifice saisit par sa taille : cinq nefs, séparées par quatre-vingt colonnes, mènent respectivement en enfilade vers l'arc triomphal, la Confession, le ciborium et l'abside.