L'esecuzione dei necessari lavori ha offerto l'occasione per svolgere preliminarmente una serie di ricerche e verifiche per un chiarimento delle vicende costruttive del monumento. In seguito al riscontro di alcune anomalie nella tessitura muraria dell'ipogeo di San Leucio e nelle zone di contatto tra le strutture di tale ambiente e quelle della costruzione romanica, è parso utile eseguire alcuni saggi per una completa analisi della fabbrica ai livelli inferiori. L'esame ha preso avvio proprio da questo ambiente sotterraneo che, secondo la tradizione scritta e orale risultava appartenere alle fasi più antiche del complesso. Secondo le notizie già ricordate infatti, l'ipogeo sarebbe stato costruito tra il VII e il IX secolo per custodire i resti mortali di San Leucio, quindi prima che venisse edificata l'attuale cattedrale. Esso consta di un ambiente quadrangolare absidato, al centro del quale vi è una camera rettangolare. Presenta due accessi dei quali uno, dalla navata sinistra della cripta longitudinale che immette nel braccio sinistro del deambulatorio. Le murature sono realizzate con elementi irregolari di pietra locale calcarea e costituiscono una fodera che delimita lo scavo eseguito nel banco tufaceo. L'abside risulta inserita all'intemo di quella della basilica soprastante. La camera centrale è munita di due varchi di accesso sui lati ovest e nord e di una finestra rivolta verso l'abside. A ridosso del muro absidale sono stati rinvenuti, a seguito dello scavo e della rimozione di materiale osteologico, i resti di un altare del tipo a blocco, fiancheggiato da un secondo elemento liturgico probabilmente riferibili al rito bizantino.
Tutti gli ambienti del sacello ipogeico sono coperti con volta a botte. Un particolare interessante è costituito dalla presenza, nella volta che copre il tratto di deambulatorio posto davanti alla camera centrale, di due piccole aperture ostruite dall'attuale pavimento della cripta soprastante. Ciò testimonia una originaria differente relazione tra l'ipogeo e l'ambiente superiore, evidentemente modificata all'epoca della creazione della cripta secondo l'attuale assetto. Una conferma in tal senso è data dalla presenza di una seconda scala di accesso all'ipogeo, che in origine conduceva al livello superiore in posizione opposta, rispetto all'asse longitudinale, all'altra già menzionata.
Siffatta strutturazione del sacello avvalora l'ipotesi che l'ipogeo dovesse appartenere ad un contesto strutturale diverso dall'attuale.
Le indagini sono state quindi rivolte alla ricerca delle eventuali parti superstiti dell'edificio che in origine conteneva l'ipogeo, poi sostituito dalla fabbrica romanica.
L'esplorazione, iniziata con la rimozione del pavimento della cripta longitudinale nei pressi dell'altare è stata estesa all'intera superficie di tale ambiente, con scavi fino alla profondità di circa due metri.
I risultati delle ricerche si sono rivelati di estremo interesse per il ritrovamento di numerosi elementi che hanno consentito di individuare le caratteristiche di un edificio il cui piano di calpestìo era posto a circa cm. 30 al di sotto del pavimento della cripta di Santa Maria. Di tale edificio, corrispondente senza dubbio all'antica cattedrale di Santa Maria, sono stati ritrovati:
- i resti di un mosaico pavimentale policromo a motivi geometrici;
- lo sviluppo delle fondazioni e, in alcuni tratti, la parte inferiore delle strutture in elevazione, corrispondenti ad un impianto basilicale a tre navate, senza transetto, concluso da un abside semicircolare;
- numerosi reperti provenienti dalla demolizione della basilica, tra cui frammenti di intonaco dipinto;
L'andamento delle murature d'ambito ha rilevato la perfetta coincidenza delle pareti laterali con quelle corrispondenti della fabbrica romanica, mentre la posizione della facciata è risultata arretrata di 6.40 metri rispetto all'allineamento dell'odierna cattedrale; infine la parete orientale absidata si sviluppava in corrispondenza della muratura che oggi separa le due cripte.