Les fouilles archéologiques du sous-sol de la nef et de ses abords immédiats, menées entre février 2015 et mars 2016, s’inscrivent dans le vaste projet de travaux de sauvegarde et de consolidation de l’Abbatiale romane de Payerne. Une grande partie de la surface concernée par cette opération avait déjà été explorée dans les années 1950 par Pierre Margot. La plupart des vestiges découverts à ce moment-là avaient été conservés. Toutes les maçonneries, de nombreuses sépultures, des structures fossoyées ainsi que des lambeaux de couches encore en place, et pour certains jamais mis au jour auparavant, ont fait l’objet d’une documentation complète et homogène en 2015-2016. Si le phasage général du site n’a pas été bouleversé, les nouveaux éléments récoltés ont permis de préciser l’ensemble des aspects de ce riche dossier et d’offrir de nouvelles perspectives de recherche en vue d’une publication.

Antérieure à la villa antique, une première phase d’occupation du site est matérialisée par une série de trous de poteaux et de fosses, qui ne sont probablement pas antérieurs au 2^e siècle apr. J.-C. Les données sont toutefois trop lacunaires pour proposer un plan ou une interprétation de ces vestiges, les plus anciens reconnus sur le site.

Concernant la villa elle-même, des données significatives ont été acquises sur le déroulement du chantier et les modes de construction. Un remblai général déposé après le nivellement du secteur a notamment été mis en évidence à plusieurs endroits. Le mobilier céramique qu’il contenait a livré des marqueurs chronologiques excluant toute datation antérieure à la fin du 2^e , voire au 3^e siècle, pour l’édification du bâtiment.

Dans un second temps, l’espace central, rythmé à l’origine par des piliers, a été profondément restructuré par l’ajout de murs et un abaissement des niveaux de sol qui a favorisé leur bonne conservation. Le mobilier associé et des éléments de bois calcinés, datés par dendrochronologie, indiquent que ces transformations ont eu lieu au 7^e siècle, ce qui atteste la longue durée d’utilisation de ce vaste édifice.

Dans le périmètre de la fouille, une première église, dont on ne peut retracer que le plan de la nef et de l’amorce du chevet, est érigée entre la fin du 8^e siècle et le 9^e siècle. Cette nouvelle hypothèse de datation repose sur le croisement des analyses radiocarbones réalisées sur des ossements issus des sépultures les plus anciennes associées à l’église et sur des charbons pris dans le mortier de plusieurs maçonneries. Au nord, des murs attestent l’existence d’un bâtiment accolé à la nef. Sa fonction est encore inconnue. À l’ouest en revanche, ce sont des constructions reposant sur des poteaux porteurs qui ont été mises en évidence. Chronologiquement, elles précèdent l’édification de deux extensions successives dans le prolongement de l’église.

Le développement architectural de ce premier complexe ecclésiastique s’accompagne de l’utilisation importante du sous-sol pour de très nombreuses inhumations. Ces dernières apportent des précisions sur la chronologie absolue des étapes de construction successives, obtenues grâce à des datations radiocarbones des os. L’analyse des modes d’aménagement des tombes et l’étude biométrique des squelettes ont par ailleurs mis en évidence des différences significatives entre les divers espaces funéraires reconnus, indiquant par exemple l’existence d’emplacements privilégiés et réservés à une certaine catégorie de population.

La nouvelle documentation des fondations de l’église romane a, de son côté, clarifié la chronologie des étapes du chantier de construction, en démontrant notamment la contemporanéité de la nef et de l’avant-nef (Tour Saint-Michel). Commencée dans la première moitié du 11^e siècle au nord, poursuivie à l’ouest puis au sud, avant d’être achevée par l’ajout d’une septième travée à l’est, la construction de la nef a connu plusieurs changements de plan au cours de sa réalisation. Les voûtes n’étaient par exemple pas prévues initialement, en tout cas pas sous la forme qu’elles présentent encore actuellement. Au sud, l’amorce d’un transept jamais achevé au niveau de la sixième travée montre que l’église avait été imaginée moins étendue dans un premier temps.

En lien avec l’église romane, plusieurs secteurs funéraires distincts ont été explorés. À l’intérieur, seuls le bas-côté nord et le vaisseau central à proximité de la croisée du transept semblent avoir servi de lieu d’inhumation. Au sud en revanche, le long de la façade extérieure de l’église, de nombreuses sépultures occupent la galerie du cloître jusqu’à la Réforme. Au nord de l’Abbatiale, c’est un cimetière très dense qui était partiellement conservé et qui  s’étend également sous une grande partie de la Place du Marché. Les squelettes les plus récents y ont été datés de l’époque moderne par des analyses radiocarbones.

Enfin, postérieures à la sécularisation de l’édifice, des structures témoignent notamment de l’utilisation de la nef comme atelier de fonte de cloches. Il s’agit de deux fours rectangulaires de briques et de trois formes inférieures de moules en terre profondément implantés dans le sous-sol des cinquième et sixième travées.