Die Entdeckung der Kreisgrabenanlage von Goseck ist in erster Linie der Luftbildarchäologie zu verdanken.
Schon in den 1970er Jahren bemerkten Agrarflieger Bewuchsanomalien im Bereich der landwirtschaftlich genutzten Fläche bei Goseck. Anfang der 1990er Jahre wurden diese Strukturen dann durch erste archäologische Luftbildprospektionen gewissermaßen wiederentdeckt:
Zuerst führte Otto Braasch 1991 gezielt Luftbildprospektionen für das Landesamt durch, das zu dieser Zeit "Landesmuseum für Vorgeschichte – Forschungsstelle für die Bezirke Halle und Magdeburg" hieß. Am 11. Juni entdeckte er dabei die Kreisgrabenanlage von Goseck, die sich als leicht eiförmig verzerrtes Rondell in einem Maisstoppelfeld abzeichnete. Danach unternahm Ralf Schwarz weitere Befliegungen und dokumentierte die Befunde umfassend.
Die Auswertung der Bilder zeigte erste Spuren eines fast kreisförmigen Grabens, der im Norden, Südosten und Südwesten durch Tore unterbrochen war. Auch die beiden Palisadenkränze im Inneren der Anlage sowie zahlreiche Gruben waren in den Luftbildern deutlich erkennbar.
1995 führte Alfred R. Volker als Ergänzung zu den Luftbildern erste geophysikalische Untersuchungen durch. Auf diese Weise sollte die Kreisgrabenanlage zerstörungsfrei kartiert und maßstabsgetreu in ihrer gesamten Fläche erfasst werden. Die Messungen bestätigten die bereits im Luftbild sichtbaren Strukturen und erbrachten darüber hinaus weitere Befunde, darunter verschiedene Gruben innerhalb und außerhalb der Kreisgrabenanlage.
In der Überlagerung von Luftbild und geophysikalischen Messungen wurden die Befunde der Kreisgrabenanlage besonders deutlich fassbar. Dadurch waren ideale Voraussetzungen geschaffen, um die Befunde gezielt archäologisch zu untersuchen.
Geomagnetische Untersuchungen machen Unterschiede des Magnetgehaltes im Boden sichtbar. Durch Eingriffe des Menschen verändert sich der Magnetgehalt.
Vor allem humusreiches Erdmaterial ist aufgrund von Zersetzungsprozessen magnetischer als der anstehende Boden. Auch Holz zersetzende Bakterien hinterlassen nach ihrem Absterben stark magnetisches Material.
Pfosten- oder Abfallgruben lassen sich auf diese Weise zerstörungsfrei erfassen.
Auf den Luftbildern zeigte sich deutlich eine Gefährdung des Bodendenkmals. Da aufgrund der intensiven landwirtschaftlichen Nutzung der Fläche eine Zerstörung der Befunde absehbar war, entschied sich das Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie Sachsen-Anhalt für eine Ausgrabung.
In Kooperation mit dem Institut für Kunstgeschichte und Archäologien Europas der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg wurde die Anlage schließlich in drei Kampagnen von 2002 bis 2004 im Rahmen von Lehr- und Forschungsgrabungen vollständig ausgegraben. Insgesamt konnte dabei eine Fläche von 0,7 ha archäologisch untersucht und dokumentiert werden.
Das interdisziplinäre Forschungsprojekt „Kreisgrabenanlage Goseck – Archäologie multimedial“ am Institut für Kunstgeschichte und Archäologien Europas verfolgte über die archäologische Arbeit hinaus das Ziel, durch offensive PR-Arbeit und digitale Dokumentationsmethoden neue Wege in der archäologischen Praxis zu gehen.
So wurden bereits die laufenden Ausgrabungen Gegenstand öffentlichkeitswirksamer Maßnahmen, die der Archäologie in Sachsen-Anhalt allgemein und der Kreisgrabenanlage von Goseck im Speziellen zu besonderer Bekanntheit in der öffentlichen Wahrnehmung verhalfen. Auch dadurch war es später möglich, Gelder für eine 1:1 Rekonstruktion der Kreisgrabenanlage am Originalfundort einzuwerben sowie eine Ausstellung im Besucherzentrum im Schloss Goseck umzusetzen.
Um Erkenntnisse über den Erhaltungszustand der Anlage zu gewinnen, öffneten die Archäologen 2002 den ersten Suchschnitt. Bereits in einer Tiefe von 40 bis 50 cm stießen sie dabei auf die Befunde der Kreisgrabenanlage. Innerhalb von drei Wochen untersuchten die Forscher den Graben und die Palisadengräbchen im Osten der Anlage. Die ersten Keramikfunde bestätigten den Datierungsansatz in die Zeit der Stichbandkeramik-Kultur (4900 bis 4600 v. Chr.). Der Kreisgraben erwies sich als Spitzgraben. Außerhalb des Grabens traten Gruben und Hausbefunde der Bronzezeit auf. Ein Kindergrab aus der Zeit der Linienbandkeramik-Kultur und eine weitere Bestattung waren die Höhepunkte der ersten Grabungskampagne.
Im Sommer 2003 setzte das Grabungsteam in einem 1000 Quadratmeter großen Schnitt seine Arbeit fort: Dieses Mal stand der Aufbau des Südost-Tores im Zentrum der Aufmerksamkeit. Eine Webcam begleitete die fünfwöchige Ausgrabung. Menschen aus aller Welt konnten die Grabungen so von zu Hause aus live mitverfolgen. Die Ausgrabungen lieferten ein unerwartetes Bild: Denn beide Palisadengräben waren genau in der Flucht des Südost-Tores unterbrochen. Die äußere Pfostenreihe bog dabei zangenförmig nach innen um. Im Torbereich entdeckten die Archäologen zudem rätselhafte Gruben, deren Wandungen Spuren von Feuereinwirkung zeigten. Eine der Gruben enthielt eine menschliche rechte Hand.
2004 wurde die Kreisgrabenanlage schließlich vollständig ausgegraben. Über sieben Monate untersuchten die Archäolog*innen unter Mitarbeit von Schüler*innen aus Naumburg und Grabungshelfer*innen aus Weißenfels eine Fläche von 6000 qm. Die vollständige Ausgrabung lieferte eine Fülle neuer Ergebnisse. Bodenkundler entwickelten erste Thesen zur Rekonstruktion des Verfüllprozesses des Kreisgrabens sowie der Landschaftsentwicklung. Die Befunde des Kreisgrabens deuteten auf die Existenz eines der Anlage vorgelagerten Erdwalls hin, der aus dem Grabenaushub bestand.
Im Juni 2005 begannen die Arbeiten für die Rekonstruktion der Kreisgrabenanlage. Die Archäolog*innen entschieden sich für eine Rekonstruktion, die den Zustand des bereits teilverfüllten Kreisgrabens am Ende der Nutzungszeit der Kreisgrabenanlage zeigt. Für die Palisaden wurden im nahegelegenen Pödelister Forst 2300 Eichenstämme gefällt.