Первые раскопки в районе Фанагории имели место в конце XVIII в. после присоединения Тамани к Российской империи (где-то после 1790 г. военным инженером Ван дер Вейде под одним из курганов был раскопан двухкамерный склеп). Однако только в 1833 г. было высказано предположение, что в районе почтовой станции Сенная в древности находилась именно Фанагория (которую прежде пытались локализовать в других местах). На тот момент главный интерес вызывали курганы, окружавшие античный город, т.к. целью был поиск артефактов для Императорского Эрмитажа (раскопки А.Б. Ашика и Д.В. Карейши в 1830–1840-е гг.).
Во второй половине XIX в. раскопки Фанагории приобрели более систематизированный характер (работы К.Р. Бегичева, К.К. Гёрца, И.Е. Забелина, В.Г. Тизенгаузена и др.). В это время помимо продолжения раскопок курганов и грунтовых погребений, внимание после случайного обнаружения в начале 1850-х гг. посвятительной надписи Афродите Урании, привлекла и территория самого города, а К.К. Гёрцем была предпринята первая попытка установления его возможных границ. Улучшилась фиксация раскопок. Во многом это было связано с созданием и деятельностью Императорской археологической комиссии (1859), организовывавшей и контролировавшей археологические изыскания на территории Российской империи. Однако на тот момент процесс оформления археологии как научной дисциплины еще не завершился и методы раскопок, а также качество их документирования оставались в целом неудовлетворительными.
В начале XX в. имел место спад интереса к исследованию Фанагории. Его возрождение началось только в 1920-е гг. и было связано с именами молодых советских археологов (В.Д. Блаватского, Л.П. Харко, М.М. Кобылиной и др.).
По-настоящему научное и планомерное изучение Фанагории и ее округи (хоры) можно отсчитывать лишь с 1936 г., когда начала работу экспедиция Государственного музея изобразительных искусств (ГМИИ) под руководством А.П. Смирнова, а затем В.Д. Блаватского (раскопки велись до 1940 г.).
После Великой Отечественной войны исследования Фанагории возглавила М.М. Кобылина. Работы проводились совместно Институтом истории материальной культуры Академии наук СССР, ГМИИ и рядом других организаций. Изучалась территория города (район «Керамик» и др.) и некрополи.
В 1956 г. в серии «Материалы и исследования по археологии СССР» вышел том, посвященный археологическим изысканиям в Фанагории и истории этого города. Целью авторского коллектива (М.М. Кобылина, В.Д. Блаватский и др.) было обобщить результаты раскопок, проведенных после 1936 г. и представить на основе имеющихся археологических материалов и других источников (сообщения античных авторов, надписи и т.д.), насколько это возможно, историко-культурное развитие Фанагории.
В конце 1950-х гг. в Фанагории были предприняты первые подводные исследования, позволившие уточнить северную границу города, примерно треть которого из-за изменения береговой линии скрыта водами Таманского залива.
С 1975 по 1991 гг. исследованиями Фанагории руководил В.С. Долгоруков. Раскопки этого времени во многом носили охранный характер и были связаны со строительством очистных сооружений рядом с южной частью городища. С 1991 г. раскопки Фанагории возглавляет В.Д. Кузнецов.
Важными этапами в изучении Фанагории стали два события: с 2004 г. исследования города ведутся при поддержке фонда О.В. Дерипаски «Вольное дело», а в 2014 г. при поддержке Министерства культуры Российской Федерации был создан Государственный историко-археологический музей-заповедник «Фанагория».
В настоящее время в Фанагории проводятся самые масштабные археологические исследования античного полиса, существовавшего в древности на юге современной России. Работы совместно ведут отдел классической археологии Института археологии РАН и музей-заповедник «Фанагория» во главе с доктором исторических наук В.Д. Кузнецовым.
Продолжается исследование города (раскопы «Нижний город» и «Верхний город»), некрополей, а также сельской территории. Важным направлением в изучении Фанагории являются подводные исследования, возобновленные в 1999 г. Именно под водой с 2005 по 2016 гг. был найден ряд важнейших артефактов (постамент статуи Гипсикратии, одной из жен Митридата VI Евпатора, таран с символикой этого царя и др.).
В 2013 г. началась публикация серии «Фанагория. Результаты археологических исследований».