L’église de Saint-Denis-du-Payré a fait récemment l’objet de travaux de restauration à la demande de la municipalité. Ce projet consistait à reprendre l’édifice en sous-œuvre par la pose de micropieux afin de le consolider. Il a donné lieu à un diagnostic en 2016, réalisé par A. Valais, sous la forme de 6 sondages disséminés tout autour de l’édifice (dont 1 à l’intérieur du croisillon nord du transept). Cette intervention  a permis de bien appréhender le potentiel archéologique de l’église de Saint-Denis-du-Payré et de son environnement immédiat (Valais 2016). L’investigation a notamment conforté la présence d’une occupation antique des lieux, bien que cette dernière n’ait pas pu être caractérisée. La découverte d’un sarcophage daté des VI^e-VIII^e siècles, disposé sur la semelle de fondation du mur sud de la nef, supposait l’ancienneté de cette partie de l’édifice et de l’occupation funéraire des lieux. Lors d’une seconde intervention menée en septembre 2017, l’équipe d’A. Valais a pu procéder à la réouverture d’un des sondages du diagnostic afin de prélever un charbon dans les fondations du mur de la nef et le fémur d’une sépulture construite postérieurement à cette maçonnerie. Leur datation par 14C devrait permettre de préciser cette phase chronologique.

La fouille, menée en mai/juin 2017, consistait à ouvrir 4 fenêtres dans les zones impactées par la pose des micropieux et d’un puisard (deux autour des piles occidentales de la croisée du transept, une au nord-est de l’église, et une le long du mur sud de la sacristie méridionale). Les vestiges les plus anciens découverts lors de cette investigation concernent l’occupation XII^e s. de l’église et des abords. C’est durant cette phase que sont érigés le transept (qui était alors bordé d’absidioles, à l’est) et le chœur de l’église, actuellement en élévation. Les maçonneries originelles de la croisée du transept (les deux piles occidentales de la croisée et le parement sud du mur occidental du croisillon nord) furent partiellement dégagées. La découverte de deux sépultures en coffrages au sud de la sacristie méridionale, est venue compléter les observations du diagnostic quant à l’occupation funéraire des lieux durant le XIIe siècle. C’est à cette période que pourrait remonter la fondation du prieuré de Saint-Denis-du-Payré, mentionné pour la première fois en 1306 dans l’extrait du grand Gauthier (Aillery 1860, p. 40). L’intervention de fouille fut relativement limitée en superficie et en profondeur d’investigation, aussi les niveaux les mieux appréhendés furent des remblais aménagés sur plus d’un mètre d’épaisseur, à l’intérieur du transept et au nord de ce dernier, durant les XV^e-XVII^e siècles. L’origine de ces remblaiements modernes peut être multiple car ils peuvent très bien résulter d’une volonté de stabiliser l’édifice ou encore correspondre à des campagnes de restaurations sachant que l’église a subi de nombreux désordres relatifs aux guerres de religions, à la fin du XVI^e siècle. L’on peut également supposer que ces travaux aient été mis en place afin de réorganiser l’espace prieural qui est encore mentionné à la fin du XVII^e siècle et qui semblait se développer au nord de l’église.