Pour les besoins de l’étude géotechnique, six sondages ont été creusés dans et autour de l’ancienne cathédrale de Cavaillon en février 2020. Ils avaient pour objectif de comprendre les désordres structurels observés sur l’édifice en mettant à jour les fondations des différentes constructions (chapelles, chevet, nef et annexe). Compte-tenu du contexte archéologique, le Service Régional de l’Archéologie de PACA a prescrit leur suivi archéologique. L’objectif était de documenter les niveaux d’occupation mis au jour sans détruire les vestiges remarquables, en particulier les maçonneries et les sépultures. Parmi les sondages, les trois situés au nord de l’ancienne cathédrale, le long de la rue Diderot ont seulement fait l’objet d’une description et d’une couverture photographique succincte compte-tenu des contraintes techniques et de leur intérêt scientifique. En revanche, les trois sondages, situés dans la nef, au chevet, et au sud, sur la place Joseph d’Arbaud, ont été photographiés, relevés et décrits selon les méthodes de l’archéologie.
 
 Par leur éloignement et leurs contextes très différents, il n’est pas possible de mettre en lien les observations archéologiques faites entre les sondages. En revanche, de manière globale, ils ont permis d’aborder les dynamiques d’occupation du secteur de la cathédrale de l’Antiquité Tardive jusqu’à nos jours. Bien qu’il ait été possible d’atteindre une profondeur de 3,5 m sous le niveau du sol dans le sondage SD5, les horizons de l’Antiquité n’ont pas été atteints. Tout au plus, une rapide analyse du mobilier céramique permet de supposer que les niveaux de l’Antiquité Tardive ont été atteints. Mais ils n’ont pas pu être mis en relation avec des niveaux structurés. Dans ce sens, il n’a pas été possible de confirmer que la cathédrale romane a été construite à l’emplacement du forum antique et du groupe épiscopal de l’antiquité tardive. Par ailleurs, aucun niveau du haut Moyen Âge n’a été mis en évidence dans le cadre de cette opération. Ainsi, les premières occupations médiévales identifiées datent certainement du XI^e siècle. Les vestiges les plus éloquents de cette période correspondent vraisemblablement au mur en arc de cercle identifié dans le sondage SD4 et qui était à priori présent sous tout le chevet pentagonal de l’église actuelle. Son mode de construction, sa forme et sa position géographique permettent de le mettre en lien avec la façade occidentale de la cathédrale du XI^e siècle. Il est probable qu'il s'agissait de l'abside du chœur du XI^e siècle mais une fouille archéologique plus large est nécessaire pour le confirmer. Peut-être durant la même période ou au cours du siècle suivant, l’espace au sud de la nef était occupé par un puits identifié dans le sondage SD5. Il fonctionnait avec un niveau de sol en terre battue. Malgré la petite fenêtre d’observation, cela permet de restituer un espace extérieur peut-être lié à la vie domestique. Puis, des espaces d’inhumations ont été aménagés au chevet de la cathédrale ou plusieurs tombes maçonnées ont été identifiées et au sud. Ce dernier espace était composé de tombes à l’architecture variable (en pleine terre, aménagées en pierre, et maçonnées). En outre, l’intérieur de la cathédrale était également loti de nombreux caveaux, datant probablement de l’époque moderne. La création de ces espaces d’inhumation n’a pas empêché la construction d’édifices comme cela a été le cas à l’est, où un bâtiment avec une cave a été construit entre le chevet pentagonal et la salle du chapitre à la fin du Moyen Âge ou durant l’époque moderne. Le suivi de ces sondages a également permis de mettre en évidence que l’instabilité des sols a nécessité la mise en œuvre de constructions adaptées dès l’époque médiévale. En effet, le chœur a vraisemblablement dû être conforté par une substructure massive qui l’encerclait peut-être entièrement. Par ailleurs, les murs étaient profondément fondés à l’image du mur sud de le chapelle de la Vierge construit en 1763.