In den 1980er Jahren begann Prof. Dr. Hugo Brandenburg, ein Experte für Kirchenbauten des frühen Christentums, zusammen mit Dr.-Ing. Sebastian Storz mit einer wissenschaftlichen Untersuchung des BausIm Zentrum stand die Frage, welche archäologischen Erkenntnisse über die unterschiedlichen Bauphasen aus dem historischen Bestand gewonnen werden können.. Die seit ihrer Erbauung mehrfach veränderte und verkleinerte Kirche befand sich zu diesem Zeitpunkt in einem baufälligen Zustand. Umso wichtiger erschien daher die Frage, welche archäologischen Erkenntnisse über die unterschiedlichen Bauphasen aus dem historischen Bestand gewonnen werden können. Um die ursprüngliche Gestalt und Ausstattung zu rekonstruieren, zielte das Forschungsprojekt auf eine architektonisch-archäologische Bauuntersuchung des Gebäudes mit Grabungen im Innern und außerhalb der Kirche. Die Durchführung geschah in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung an der Technischen Universität Karlsruhe sowie der italienischen Denkmalpflege und wurde finanziert vom Deutschen Archäologischen Institut Rom/Berlin, der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie der Fritz Thyssen Stiftung und der Gerda Henkel Stiftung.

Der Monumentalität des Baues entsprach auch seine kostbare Ausstattung, die die Untersuchungen in großen Teilen wieder erschließen konnten. Bevor ein neuer Fußboden verlegt wurde, konnten Professor Brandenburg und Dr. Storz an verschiedenen Stellen der Kirche die Reste des antiken Bodens sorgfältig untersuchen. Die Ergebnisse waren überraschend. So entdeckten sie in dem erhaltenen Kreuzarm ein großflächig ausgelegtes Paviment, das in Resten mit großen, kostbaren Platten aus Buntmarmor bestückt war. Eine maßgerechte zeichnerische Aufnahme der Fragmente diente der italienischen Denkmalpflege als Vorlage für die Restaurierung des Mamorfußbodens. In der gleichen Weise wurde in anderen Bereichen der Kirche verfahren.

Doch wann genau wurde die Kirche erbaut? Eine dendrochronologische Untersuchung von Bauhölzern aus dem Dachgefüge ergab ein Datum um das Jahr 460Nur der Kaiser konnte über ein solches, dem Fiscus gehörendes Grundstück in exponierter Lage verfügen.. Dieses Datum wurde durch den Fund einer Münze des Kaisers Libius Severus (361–365) in der Ausgrabung einer Fundamentgrube der Kirche bestätigt. Auch der Bauherr lässt sich erschließen: Die Tatsache, dass die Kirche auf staatlichem Grund und Boden über einer aufgelassenen Kaserne errichtet wurde, macht es sicher, dass ein Kaiser der Stifter dieses Baues war, denn nur er konnte über Grundstücke in exponierter Lage verfügen. Die Forscher führte dies zu folgender Annahme: Die Planung der Kirche ist unter Papst Leo dem Großen (440–461) und die Bereitstellung der finanziellen Mittel sowie des kostbaren Baumaterials durch Kaiser Maioran (457–461) anzusetzen. Unter dem Kaiser Libius Severus (461–465) wurde die Kirche dann errichtet und unter Papst Simplicius (468–483) schließlich geweiht.

Die mit Hilfe der Stiftung durchgeführte archäologische Bauuntersuchung der Universität Münster und die auf ihren Ergebnissen fußenden Restaurierungen der italienischen Denkmalpflege haben in Santo Stefano Rotondo in Rom ein einzigartiges Baudenkmal in seiner Gestalt wiedergewinnen und in seinem Bestand erhalten können. So wurde die Voraussetzung dafür geschaffen, dass die Kirche, die in der Obhut des Päpstlichen Deutschen Priesterseminars in Rom steht, seit einigen Jahren wieder den Besuchern zugänglich ist.