Sezon badawczy w grudniu w 1958 roku przyniósł nieoczekiwane odkrycia archeologiczne w Wiślicy. W trakcie prac ratowniczych przy zakładaniu instalacji wodociągowej na ulicy Batalionów Chłopskich, w niewielkiej odległości od prezbiterium współczesnej kolegiaty, odsłonięto mury budowli oraz wczesnośredniowieczne pochówki.
Rok później w tym miejscu prace wykopaliskowe były kontynuowane pod nadzorem doc. dr Zofii Wartołowskiej z upoważnienia Katedry Archeologii Pierwotnej i Wczesnodziejowej Uniwersytetu Warszawskiego. Ich konsekwencją było odkrycie pozostałości po wczesnośredniowiecznej osadzie w postaci warstwy kulturowej i kilku obiektów. Dzięki ciężkiej pracy archeologów udało się w całości odsłonić fundamenty tajemniczej budowli. Ten nieduży, jednonawowy obiekt, od wschodu zamknięty półkolistą absydą, zinterpretowano jako kościół pw. św. Mikołaja. Od strony południowej przylegała do niego prostokątna przybudówka, będąca kaplicą grobową. W jej obrębie odkryto cztery pochówki ludzkie. Przy jednym z nich, przykrytym płytą z zaprawy gipsowej, znaleziono denar książęcy Bolesława Śmiałego, który panował w latach 1058–1076. Nie były to jedyne groby szkieletowe odkryte podczas badań. Teren wokół kościoła okazał się cmentarzem przykościelnym. Odkopano tam ponad 100 grobów szkieletowych, w większości jednak bez wyposażenia. Prowadzone badania archeologiczne wyłoniły po północnej stronie świątyni, przylegający poniżej jej fundamentów, gliniany obiekt. Było to półkoliste zagłębienie z trapezoidalnym podium, będące obecnie określane mianem hipotetycznej misy chrzcielnej.
Pod koniec 1959 roku badania były prowadzone przez Zespół Badań nad Polskim Średniowieczem Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem prof. dr. Włodzimierza Antoniewicza i doc. dr Zofii Wartołowskiej. Eksploracja stanowiska trwała do 1965 roku. W celu lepszego poznania historii obiektów przeprowadzone zostały dodatkowe badania w 1979 i 2000 roku.
Niezwykły zespół reliktów został zabezpieczony i osłonięty pawilonem archeologicznym, którego decyzję o budowie podjęto na konferencji naukowej Zespołu Badań nad Polskim Średniowieczem w 1960 roku. Nad projektem architektonicznym budynku pracował zespół pod kierunkiem prof. dr. Piotra Biegańskiego, natomiast jego konstrukcją zajął się prof. Jerzy Teliga.
