Κατά τον 17ο και 18ο αιώνα οι περιηγητές (όπως ο J. Spon, ο G. Wheler, ο E.D.Clarke) που επισκέπτονται την Ελευσίνα, κάνουν ορισμένες λαθρανασκαφές και παίρνουν κάποια «αναμνηστικά» με γνωστότερη περίπτωση την Καρυάτιδα που σήμερα βρίσκεται στο Cambridge, αρπαγείσα από τον Clarke που την θεώρησε «άγαλμα της θεάς Δήμητρας». 
Η πρώτη μελέτη των μνημείων της Ελευσίνας γίνεται κατά τη διάρκεια της Τουρκοκρατίας, το 1812, από την Society of Dilettanti. Τότε εντοπίστηκε η θέση του Τελεστηρίου, μελετήθηκαν τα Μεγάλα Προπύλαια, σχεδιάστηκαν τα Μικρά Προπύλαια και ταυτίστηκε ο ναός της Προπυλαίας Αρτέμιδος. Τα αποτελέσματα των μελετών τους τα δημοσίευσαν στα 1817, στη μνημειώδη και πολύτιμη σήμερα έκδοση: "The Unedited Antiquities of Attica".

Το 1859, στο εκκλησάκι του Αγίου Ζαχαρία, που σήμερα μπορούμε να επισκεφθούμε και είναι κοντά στον Αρχαιολογικό χώρο, ευρίσκεται τυχαία το μεγάλο ελευσινιακό ανάγλυφο με την απεικόνιση της ιερής ελευσινιακής Τριάδος, της Δήμητρας, της Κόρης και του Τριπτολέμου.

Το 1860, ο γάλλος αρχαιολόγος Fr. Lenormant, με άδεια από την ελληνική κυβέρνηση,  πραγματοποίησε ανασκαφική έρευνα στην περιοχή των Προπυλαίων, περιορισμένης όμως διάρκειας και έκτασης.
Το «πατριωτικό και εθνικό καθήκον» της πλήρους αποκάλυψης του ελευσινιακού Ιερού το αναλαμβάνει η εν Αθήναις Αρχαιολογική Εταιρεία και, με τη συνδρομή του κράτους, αρχίζει στα 1877 τις απαλλοτριώσεις στην περιοχή, καθώς γίνεται πλέον συνειδητό ότι χωρίς την καθαίρεση των σπιτιών του οικισμού και τη πλήρη μετεγκατάσταση των χωρικών, είναι αδύνατο να ολοκληρωθούν οι έρευνες.
Οι ανασκαφές στην Ελευσίνα αρχίζουν στις 2 Ιουνίου 1882, μολονότι δεν είχαν ακόμη απομακρυνθεί από το χώρο όλα τα σπίτια των κατοίκων, ούτε είχαν ολοκληρωθεί οι απαλλοτριώσεις. 
Η διεύθυνση των ανασκαφών ανατίθεται στον Δημ. Φίλιο, ο οποίος είχε σπουδάσει αρχαιολογία στο Μόναχο. Εξαρχής συνεργάζεται μαζί του ο γερμανός αρχιτέκτων W. Dorpfeld.
Η ανασκαφή προχωρεί παράλληλα με τις απαλλοτριώσεις και καθαιρέσεις των οικιών, τέλος δε τον Σεπτέμβριο του 1885 κατεδαφίζεται και η εκκλησία του χωριού, αφιερωμένη στον Άγιο Γεώργιο, και μετατίθεται στη σημερινή της θέση, πάνω στα λείψανα επιβλητικού συγκροτήματος ρωμαϊκών λουτρών.
Ο Δημ. Φίλιος εργάστηκε στις ανασκαφές της Ελευσίνας πάνω από μία δεκαετία, από το 1882 μέχρι το 1894. Αποκάλυψε το Τελεστήριο, το Καλλίχορο φρέαρ και γενικά τα περισσότερα κτίσματα του Ιερού. Ο Ανδρέας Σκιάς τον διαδέχθηκε στη διεύθυνση των ανασκαφών στα 1894 και αφοσιώθηκε στο έργο, με τον ίδιο ακάματο ζήλο, μέχρι τα 1907. Κατά τη διάρκεια της ερευνητικής του δραστηριότητας στην Ελευσίνα ανέσκαψε τη νότια αυλή του Τελεστηρίου, τους προϊστορικούς οικισμούς της νότιας κλιτύος και το εκτεταμένο γεωμετρικό νεκροταφείο στις υπώρειες του λόφου, που το αποκάλεσε «Πανάρχαια Ελευσινιακή Νεκρόπολη». Η εκλογή του Ανδρέα Σκιά ως καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Αθηνών τον υποχρέωσε να εγκαταλείψει τη διεύθυνση των ανασκαφών της Ελευσίνας.
Ύστερα από σύντομη σχετικά διακοπή, η έρευνα του Ιερού συνεχίστηκε στα 1917 από τον Κων. Κουρουνιώτη, πάντοτε υπό την αιγίδα της Αρχαιολογικής Εταιρείας. Αυτός ερεύνησε και πάλι, με πιο σύγχρονες μεθόδους, πολλά σημεία και κυρίως διευκρίνισε τις αρχαιότερες φάσεις του Τελεστηρίου. Ανέσκαψε επίσης την Ιερά Οικία, το Μιθραίο και το ρωμαϊκό οικοδόμημα με την περίστυλη αυλή, έξω από το νότιο σκέλος του περιβόλου. Ερεύνησε επίσης και τμήματα της ακροπόλεως, φέρνοντας στο φως οικίες, δεξαμενές και δρόμους ελληνιστικών και ρωμαϊκών χρόνων.
Άξιοι συνεργάτες του στις εκτεταμένες αυτές έρευνες ήταν ο καθηγητής Γ. Μυλωνάς, ο αρχιτέκτων Ιω. Τραυλός και ο έφορος των Αρχαιοτήτων Ιω. Θρεψιάδης, οι οποίοι συνέχισαν το έργο του και μετά το θάνατο του Κουρουνιώτη στα 1945. Ο Ιω. Θρεψιάδης ανέσκαψε το μεγάλο ρωμαϊκό λουτρικό συγκρότημα που εκτείνεται στην περιοχή της νεότερης εκκλησίας του Αγίου Γεωρ¬γίου. Ο Γ. Μυλωνάς ερεύνησε με συστηματική ανασκαφή, από το 1952 μέχρι το 1956, το λεγόμενο «Δυτικό Νεκρο¬ταφείο της Ελευσίνας», όπου αποκαλύφθηκαν συνολικά 417 τάφοι, από τους οποίους οι 150 ήταν προϊστορικών χρόνων. Μάλιστα μια συστάδα προϊστορικών τάφων ταυτίστηκε από τον ανασκαφέα ως ο χώρος ταφής των «επτά επί Θήβας», που ο περιηγητής Παυσανίας αναφέρει ότι είδε κατά την επίσκεψη του στην Ελευσίνα. Στον αρχιτέκτονα Ιω. Τραυλό οφείλονται όλα τα ακριβέστατα τοπογραφικά σχέδια του Ιερού καθώς και οι αποτυπώσεις και προτάσεις αποκατάστασης των περισσότερων μνημείων. Ερεύνησε επίσης το Ιερό της Αφροδίτης του Δαφνιού, την πορεία της Ιεράς Οδού στην περιοχή των Ρειτών και το 1950 αποκάλυψε τη ρωμαϊκή γέφυρα του ελευσινιακού Κηφισού. Στη δεκαετία του '60 ανέσκαψε τη Β.Δ. βοηθητική περιοχή του Ιερού, τμήματα του τείχους και τις «Άστυδε Πύλες». Σποραδικές έρευνες, πολύ περιο¬ρισμένης έκτασης, διενήργησε και στη δεκαετία του '80, ενώ μέχρι το θάνατο του, το 1985, δεν έπαψε να ασχολείται με μελέτες και έρευνες για την Ελευσίνα.
Από τα μέσα της δεκαετίας του '60 αρχίζει η ανασκαφική δραστηριότητα στην περιοχή και της Γ' Εφορείας Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων, δηλαδή της αρμόδιας για την Ελευσίνα μονάδας της Αρχαιολογικής Υπηρεσίας, της κρατική Υπηρεσία ασχολείται με τις σωστικές λεγόμενες ανασκαφές, δηλαδή με την αρχαιολογική τεκμηρίωση των μνημείων του παρελθόντος που αποκαλύπτονται κατά τη διάρκεια εκσκαφικών εργασιών σε δημόσια και ιδιωτικά έργα. Οι σωστικές έρευνες διενεργούνται έξω από τα όρια του κηρυγμένου αρχαιολογικού χώρου, κάτω από τη σύγχρονη πόλη της Ελευσίνας. Έχουν φέρει στο φως, μέχρι σήμερα, πλήθος πολύτιμα στοιχεία για τον αρχαίο οικισμό και τα νεκροταφεία που τον περιέβαλλαν, για το οδικό του δίκτυο, για τις βιοτεχνικές και αγροτικές εγκαταστάσεις και για την ύδρευση του, από πηγάδια στις αρχαιότερες περιόδους και από το ρωμαϊκό υδραγωγείο αργότερα. Οι σωστικές έρευνες συνεχίζονται μέχρι σήμερα, και μάλιστα διαρκώς εντεινόμενες, καθώς ακολουθούν υποχρεωτικά τους ρυθμούς ανάπτυξης της σύγχρονης πόλης.

Το ζήτημα της φύλαξης των αρχαίων ευρημάτων που προέρχονταν είτε από τυχαίες εκσκαφικές δραστηριότητες είτε από τις πρώτες ανασκαφικές απόπειρες στην Ελευσίνα, ανέκυψε αμέσως μετά την απελευθέρωση από τους Τούρκους και τη σύσταση του Ελληνικού Κράτους. Ως πρόχειρος χώρος συγκέντρωσης τους χρησίμευσε αρχικά η μισοερειπωμένη εκκλησία του Αγίου Ζαχαρία, όπου εκτέθηκε για πρώτη φορά και το μεγάλο ελευσινιακό ανάγλυφο, πριν μεταφερθεί στο Θησείο και στη συνέχεια στο Εθνικό Αρχαιολογικό Μουσείο. 
Εκτός όμως από τον Άγιο Ζαχαρία, που χρησίμευε ως «πρόχειρο Μουσείο» στην κοινότητα της Ελευσίνας, ο Lenormant χρησιμοποιεί για να αποθηκεύσει τα ευρήματα των ανασκαφών του το σπίτι κάποιου Lascas (Λάσκου;), όπως αναφέρει ο ίδιος, αλλά και άλλοι μεταγενέστεροι επισκέπτες. Ο Emile Isambert στο περιηγητικό του κείμενο "Itinéraire de l'Orient" (Paris 1881) σημειώνει: «Les inscrip¬tions et les scultures trouvées dans les Fouilles sont conservées, sous la garde d'un invalide, dans un petit musée spécial, organisé dans la maison du commandant Lascas, à côté des premiers propylées». «Οι επιγραφές και τα γλυπτά που βρέθηκαν στις ανασκαφές φυλάσσονται, με την επίβλεψη ενός απομάχου, σ' ένα ειδικό μικρό μουσείο, που οργανώθηκε στο σπίτι του διοικητή Λάσκου, κοντά στα πρώτα Προπύλαια».
Με την έναρξη των πρώτων συστηματικών ανασκαφών από τον Δημήτριο Φίλιο το πρόβλημα της φύλαξης των ευρημάτων εγείρεται εντονότερο. Τα πολυτιμότερα μικροευρήματα μεταφέρονται στη Συλλογή της Αρχαιολογικής Εταιρείας στην Αθήνα, ενώ τα πιο αξιόλογα γλυπτά στο Εθνικό Αρχαιολογικό Μουσείο. 
Τα υπόλοιπα ευρήματα των πρώτων χρόνων των ανασκαφών ο Φίλιος τα συγκεντρώνει σε ένα από τα σπίτια του χωριού που δεν είχε κατεδαφιστεί, καθώς βρίσκεται στις παρυφές του Ιερού, πάνω στην πορεία του νό¬τιου σκέλους του περιβόλου. Ο οικίσκος αυτός σημειώνεται ως «Μουσείο» στα τοπογραφικά σχέδια που συνοδεύουν τις ανασκαφικές εκθέσεις της περιόδου. Το γραφικό αυτό κτίσμα σώζεται μέχρι σήμερα, μαζί με το συνεχόμενο του οίκημα, που είχε χρησιμεύσει στον Φίλιο για τη διαμονή του, κατά τη διάρκεια των ανασκαφών. Μαζί με έναν άλλο αγροτικό οικίσκο, που βρίσκεται στις βόρειες υπώρειες του λόφου, είναι τα μόνα κτίρια του χωριού που δεν κατεδαφίστηκαν, και αποτελούν, επομένως, τις παλαιότερες υλικές μαρτυρίες της νεότερης ιστορίας της πόλης.
Το πρώτο κτίριο που οικοδομήθηκε ειδικά για να εκτεθούν σε αυτό τα ευρήματα του Ιερού που συνεχώς πλήθαιναν, θεμελιώθηκε στα 1889, στη νότια πλαγιά του λόφου της ακροπόλεως. Το Μουσείο παραδόθηκε από τους εργολάβους του στα μέσα του 1890, «κατασκευασθεισών και των ξύλινων θηκών». Ήταν ένα ισόγειο, λιθόκτιστο, κεραμοσκεπές κτίριο, με απλή, επιμήκη ορθογώνια κάτοψη, που απαρτιζόταν αρχικά από πέντε αίθουσες παρατακτικά διατεταγμένες. Πρόκειται για ένα από τα πρώτα Μουσεία του Ελληνικού Κράτους και αντικατοπτρίζει τις μουσειακές αντιλήψεις και τις υλικοτεχνικές δυνατότητες της εποχής που κατασκευάστηκε.
Η πρώτη διευθέτηση των αρχαιοτήτων στον εκθεσιακό χώρο, καθώς και η έναρξη της καταγραφής των ευρημάτων, οφείλονται στον Ανδρεά Σκιά. 
Στις αρχές της δεκαετίας του 1930 προστίθεται μία ακόμη αίθουσα, στο δυτικό άκρο του κτιρίου, και γίνεται νέα διευθέτηση των εκθεμάτων, από τον τότε διευθυντή των ανασκαφών Κων. Κουρουνιώτη. Στη νεόδμητη, δυτικότερη αίθουσα, που την αποκαλεί «αγγειοθήκη», εκθέτει τα κεραμικά ευρήματα των ανασκαφών.
Με την έκρηξη του ελληνοϊταλικου πολέμου λαμβάνονται μέτρα διασφάλισης των αρχαίων του Μουσείου Ελευσίνας. Τα «πρώτης τάξεως αρχαία», όπως αναφέρει το σχετικό έγγραφο, μεταφέρθηκαν στο Εθνικό Αρχαιο¬λογικό Μουσείο, ενώ τα υπόλοιπα μικροευρήματα εγκιβωτίστηκαν και μεταφέρθηκαν σε αρχαία δεξαμενή, λαξευμένη στο βράχο του λόφου, η οποία στη συνέχεια σφραγίστηκε. Τα μεγαλύτερα αγγεία και τα λίθινα εκθέματα συγκεντρώθηκαν στη δυτική αίθουσα του Μουσείου, που θεωρήθηκε ασφαλέστερη ως η μόνη τσιμεντοσκεπής. Μέσα σ’ αυτήν τα αρχαία καλύφθηκαν με αλλεπάλληλες στρώσεις επιχώσεων. Τα ογκώδη αντικείμενα, που ήταν δύσκολο να μετακινηθούν από τα βάθρα τους, παρέμειναν στη θέση τους προστατευμένα από σάκους γεμάτους χώμα.
Μόλις το 1947 αρχίζει η αποκατάσταση του Μου¬σείου, με την απομάκρυνση των επιχώσεων από την έκτη αίθουσα και την επισκευή των φθορών που προξένησε ο πόλεμος. Η επανέκθεση των αρχαίων οφείλεται στον τότε αρμόδιο για την περιοχή έφορο και μετέπειτα γενικό διευθυντή Αρχαιοτήτων, τον Ιωάν. Παπαδημητρίου.
Στο μεγάλο χρονικό διάστημα που ακολούθησε, εκτός από τις περιοδικές επισκευές του κτιρίου, επήλθαν και στην έκθεση διάφορες αλλαγές και προσθήκες, π.χ. η πα¬ρουσίαση του εντυπωσιακού συνόλου κεραμικής που προέρχεται από τη μεταπολεμική ανασκαφή του «Δυτικού Νεκροταφείου». Επίσης το 1973 τοποθετήθηκαν δύο μεγάλες οριζόντιες προθήκες με τα γύψινα προπλάσματα αναπαραστάσεων του Ιερού που εξεπόνησε ο Ιωάννης Τραυλός.

Η επόμενη επιδίωξη των αρμόδιων φορέων είναι η ίδρυση ενός νέου Μουσείου, αντάξιου της σημασίας του χώρου, που θα πληροί τις μουσειολογικές απαιτήσεις του 21ου αιώνα. Εκεί θα είναι δυνατή η κατάλληλη ανάδειξη όχι μόνο των ευρημάτων από τις παλιές ανασκαφές αλλά και του συνεχώς αυξανόμενου υλικού από τις σωστικές ανασκαφές που διεξάγονται αυτή τη στιγμή στο υπέδαφος της σύγχρονης πόλης, καθώς:

Τα σπίτια μας είναι κτισμένα πάνω σ' άλλα σπίτια
ευθύγραμμα, μαρμάρινα,
κι εκείνα πάνω σε άλλα
κι ένα άγαλμα καμιά φορά ακουμπά
ελαφρά το χέρι του στον ώμο σου
Γιάννης Ρίτσος

*αυτοτελή απασπάσματα και στοιχεία από το βιβλίο της Αρχαιολόγου Καλλιόπης Παπαγγελή «ΕΛΕΥΣΙΣ»