Οι πλέον σημαντικές αρχαιολογικές ανασκαφές κατά την πρώτη φάση κατασκευής του έργου έγιναν σε τέσσερις σταθμούς του Ιστορικού Κέντρου: Σύνταγμα, Κεραμεικός, Μοναστηράκι και Ακρόπολη. Συνολικά διενεργήθηκαν περισσότερες από είκοσι αρχαιολογικές ανασκαφές σε σταθμούς και φρέατα εξαερισμού. Το βάθος των αρχαιολογικών στρωμάτων κυμαίνονταν από 0,5 έως 7,0 μέτρα, αλλά μερικές υδραυλικές κατασκευές, πηγάδια, αγωγοί, δεξαμενές και υδραγωγεία αποκαλύφθηκαν σε μεγάλα βάθη. Οι αρχαιότητες καταγράφηκαν λεπτομερώς και αποτυπώθηκαν με σύγχρονες τεχνικές μεθόδους υπό την επιστημονική εποπτεία των αρμοδίων υπηρεσιών του ΥΠΠΟ.
Συγκεκριμένα στους τέσσερις σταθμούς του ιστορικού κέντρου ήλθαν στο φως, πολύ συνοπτικά, τα ακόλουθα αρχαιολογικά ευρήματα:
Στον σταθμό ΣΥΝΤΑΓΜΑ αποκαλύφθηκαν χυτήρια χάλκευσης αγαλμάτων κλασικής εποχής, νεκροταφείο που χρονολογείται από τους υπομυκηναϊκούς έως και τους βυζαντινούς χρόνους, λουτρικό συγκρότημα ρωμαϊκών χρόνων, τμήμα του πεισιστράτειου υδραγωγείου, η κοίτη του Ηριδανού ποταμού καθώς και ο αρχαίος δρόμος που από τις πύλες του τείχους οδηγούσε στους δήμους της Μεσογαίας.
Πλησίον του σταθμού ΚΕΡΑΜΕΙΚΟΣ ανασκάφηκε τμήμα του σπουδαιότερου νεκροταφείου της αρχαίας Αθήνας. Ερευνήθηκαν 1200 ταφές χρονολογούμενες από τις αρχές του 7ου αιώνα π.χ. έως τα ρωμαϊκά χρόνια. Σημαντικό εύρημα αποτελούν οι δυο ομαδικές ταφές που χρονολογούνται στις αρχές του Πελοποννησιακού πολέμου. Βρέθηκε επίσης ο δυτικός περίβολος του νεκροταφείου, κατάλοιπα κεραμικού εργαστηρίου και η κοίτη του Ηριδανού ποταμού.
Ένας ακόμη αρχαιολογικός χώρος στο σύστημα του Μετρό της Αθήνας αναδείχθηκε στο σταθμό ΜΟΝΑΣΤΗΡΑΚΙ. Για την κατασκευή του ΜΕΤΡΟ στο Μοναστηράκι έγιναν αρχαιολογικές ανασκαφές που έφεραν στο φως οικιστικά λείψανα από τον 8ο αιώνα π.Χ. (Γεωμετρική περίοδο) έως τον 19ο αιώνα μ.Χ. Από τα σημαντικότερα ευρήματα του σταθμού Μοναστηρακίου είναι η εγκιβωτισμένη κοίτη του Ηριδανού ποταμού. Αποδείχθηκε η συνεχής χρήση του χώρου από την Μυκηναϊκή περίοδο έως τα νεώτερα χρόνια. Βρέθηκαν κτίρια, εργαστήρια, τάφοι και πλήθος συστημάτων ύδρευσης και αποχέτευσης.
Ο Ηριδανός ποταμός ήταν Βασικός άξονας της ρυμοτομίας σε όλες τις περιόδους, με πηγές στους πρόποδες του Λυκαβηττού, πορεία μέσα από την Αθήνα και εκβολές στον Ιλισσό ποταμό. Η ροή του ήταν συνεχής και αυξανόταν με τις μεγάλες βροχές. Κατά την Υστεροκλασσική περίοδο (5ος -4ος αι. π.Χ.) η κοίτη, με πλάτος 2,60μ., οριοθετείται από μεγάλους κροκαλοπαγείς λίθους. Δύο μονοπάτια, βόρεια και νότια, όριζαν την οικοδομική γραμμή για τα κτίρια που άρχισαν να οικοδομούνται και από τις δύο πλευρές. Στα χρόνια του αυτοκράτορα Αδριανού (117-138 μ.Χ.) ο Ηριδανός καλύπτεται με πλινθόκτιστο θόλο, επιχώνεται και μετατρέπεται σε υπόνομο. Μεγάλος τοίχος αντιστήριξης κτίζεται στο βόρειο όριο του ποταμού για να στηρίξει ευρεία στοά ή οδό, ενώ η οικοδομική γραμμή υποχωρεί κατά 4,50μ. Τα κτίσματα είναι ιδιωτικού χαρακτήρα, εργαστήρια και αποθηκευτικοί χώροι. Η χρονολόγηση των ερειπίων στηρίζεται σε πολυάριθμα και ποικίλα ευρήματα: μαρμάρινα γλυπτά και αρχιτεκτονικά μέλη, ψηφιδωτά δάπεδα, τοιχογραφίες, διακοσμητικά εγχάρακτα επιχρίσματα, αγγεία, νομίσματα, μετάλλικα και οστέινα αντικείμενα.
Η ανασκαφική έρευνα στο σταθμό Ακρόπολη σε έκταση 2500 τ.μ., απέδειξε την χρήση του χώρου από τα τέλη της 3ης χιλιετίας π.χ. μέχρι τα βυζαντινά χρόνια. Επίσης, ανακαλύφθηκαν λίγοι τάφοι της Μεσοελλαδικής και Υστεροελλαδική εποχής, οικίες, εργαστήρια, δρόμοι και λουτρά.
Εκτός από τους τέσσερις σταθμούς του ιστορικού κέντρου, σημαντικά ευρήματα αποκαλύφθηκαν και σε άλλες θέσεις:
- Στο σταθμό ΕΥΑΓΓΕΛΙΣΜΟΣ: Αρχαίο νεκροταφείο με ταφικό περίβολο, πεισιστράτειος αγωγός και δρόμος.
- Στο σταθμό ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ: Αρχαίο νεκροταφείο.
Σημαντικές αρχαιότητες βρέθηκαν και στα φρέατα εξαερισμού :
- Στο Φρέαρ «Ηρώδου Αττικού». Ρωμαϊκή οικία, νεκροταφείο και υδραυλικά συστήματα.
- Στο Φρέαρ «Αμαλίας». Σημαντικό ρωμαϊκό λουτρό.
- Στο Φρέαρ «Μητροπόλεως». Σημαντικά κτιριακά κατάλοιπα.
- Στο Φρέαρ «Πετμεζά». Νεκροταφείο που χρονολογείται από τους κλασικούς έως και τους βυζαντινούς χρόνους καθώς και υπόστυλη αίθουσα.
- Στο Φρέαρ «Φωκίωνος». Κτίριο ρωμαϊκών χρόνων και βυζαντινοί αποθηκευτικοί σιροί.
- Στο Φρέαρ «Θησείο». Κτίριο υστεροκλασικών χρόνων και εργαστήρια.
- Στο Φρέαρ «Ερμού – Αρίωνος». Εργαστηριακοί χώροι και υδραυλικά συστήματα.
- Στο Φρέαρ «Ιάκχου». Αρχαίο νεκροταφείο.
- Στο Φρέαρ «Ασωμάτων». Σημαντικό κτίριο.
Με συνεχή αρχαιολογική παρακολούθηση πραγματοποιήθηκε η διάνοιξη των σηράγγων όπου βρέθηκαν αρκετά αρχαία πηγάδια με σημαντικά αρχαιολογικά ευρήματα στο εσωτερικό τους καθώς και τμήμα του Αδριάνειου υδραγωγείου. Εκτός από τις δεκάδες χιλιάδες αρχαιολογικών αντικειμένων τα οποία περισυνελέγησαν και φυλάσσονται στις αποθήκες του ΥΠΠΟ, σημαντικό και πρωτότυπο έργο απετέλεσαν οι αποσπάσεις, συντηρήσεις και επανατοποθετήσεις βαρέων κτιριακών και άλλων κατάλοιπων που κρίθηκαν από το ΥΠΠΟ διατηρητέα και αναδείξιμα πλην των έξι εκθεσιακών χώρων που διαμορφώθηκαν σε ισάριθμους σταθμούς, αρχαία αποσπάσθηκαν και επανατοποθετήθηκαν στο φρέαρ Πετμεζά, στην Πλατεία Συντάγματος και στον σταθμό Ευαγγελισμός. Στο φρέαρ Αμαλίας διατηρήθηκε και αναδείχθηκε λουτρό ρωμαϊκής εποχής, ενώ στο Μοναστηράκι διατηρήθηκε στη θέση που ανακαλύφθηκε η εγκιβωτισμένη κοίτη του αρχαίου Ηριδανού ποταμού.
Τέλος, σημαντικά εκθέματα μεταφέρθηκαν από την αρχαιολογική ανασκαφή του Συντάγματος στην Πανεπιστημιούπολη Ζωγράφου όπου δημιουργήθηκε υπαίθρια έκθεση αρχαιοτήτων 2000 τ.μ. με μικρό μουσείο.
