Després de l'abandonament de la ciutat, la piràmide, tot i que molt degradada, va continuar dominant el paisatge i mai va ser oblidada. En època asteca, era un lloc de pelegrinatge. Durant el període colonial, la va visitar l'erudit Lorenzo Boturini. Afirma que, cap al 1675, Carlos de Sigüenza y Góngora «havia intentat perforar-la, però que la resistència del túmul li ho havia impedit».[1] En va fer un plànol, que malauradament ha desaparegut. La investigació arqueològica recent ha desafiat el famós relat de Boturini. Sigüenza: de Sigüenza no hauria intentat perforar la superfície de la Piràmide del Sol, sinó la de la Piràmide de la Lluna.

No va ser fins al segle XX que es van emprendre grans treballs arqueològics amb motiu de la celebració del centenari de la independència de Mèxic l'any 1910. A partir de 1905, l'arqueòleg Leopoldo Batres va netejar l'edifici. La seva obra va ser molt criticada pel seu successor Manuel Gamio: “La piràmide ha quedat desfigurada, ja que s'ha eliminat una capa de set metres de gruix a la banda sud, i de diversos gruixos a les altres...”. Batres va emprendre llavors la reconstrucció de l'edifici, el resultat de la qual és visible avui en dia. L'any 1947 es va demostrar que estava equibocat, ja que l'edifici tenia originàriament quatre graus; Batres va afegir-ne un cinquè entre el tercer i el quart.

A la dècada de 1920, Gamio va fer cavar un túnel a la façana est de l'edifici. L'any 1933, Eduardo Noguero va ordenar l'excavació d'un altre túnel, de 116,5 m de llarg des de la façana oest.

L'any 1959, les excavacions realitzades en els túnels interiors per René Millon van establir definitivament que la piràmide s'havia construït d'un sol cop. Si bé alguns d'aquests túnels es van fer després de la caiguda de Teotihuacan i dels asteques, eventualment es van connectar a túnels i coves que es van fer durant els períodes d'aquestes civilitzacions. Les investigacions dirigides per Millon van revelar que la majoria dels túnels principals estaven segellats, i si això tenia un propòsit o no depèn de l'interpretació. Als túnels de sota de la piràmide s'hi van recollir peces de ceràmica, fogueres i altres artefactes fets meticulosament. Millon i el seu equip creuen que les primeres interpresentacions de les piràmides de Teotihuacan que consideren que van ser cconstruïdes per esclaus són incorrectes a causa de l'artesania de la piràmide en si, així com de la popularitat de Teotihuacan entre els seus pobles. Les persones que van construir aquestes piràmides van tenir la motivació per a fer-ho, tant si van immigrar d'altres llocs de Mesoamèrica com si no.[2]

Durant la creació d'un espectacle de so i llum l'any 1971, l'arqueòleg Ernesto Taboada va descobrir una entrada a una fossa de set metres de profunditat als peus de l'escala principal de la Piràmide del Sol. Tot i que els investigadors han pensat durant molt de temps que es tracta d'una cova natural, estudis més recents han establert que el túnel és antròpic.

Les coves i els sistemes de túnels sota la piràmide han estat investigats per diversos arqueòlegs que han arribat a la conclusió que aquestes coves eren sagrades per a la gent de Teotihuacan, de la mateixa manera que les coves eren importants culturalment a Mesoamèrica. Diverses fonts apunten a diferents interpretacions sobre per què es va construir la Piràmide del Sol i què signifiquen realment els sistemes de coves que hi ha a sota segons el poble i la cultura de Teotihuacan.[3]

L'interior de la Piràmide del Sol encara no s'ha excavat del tot.