Cercetările arheologice din anii 1950 au arătat că aşezarea getică era bogată şi puternică, întărită chiar cu un şanţ de apărare. Au fost descoperite unelte de fier, piatră şi os, ceramică autohtonă sau grecească de import.

Au fost identificate contururile rectangulare ale câtorva colibe şi cuptoare-sobe precum şi gropi menajere de unde au fost recuperate fragmente de vase ceramice lucrate la roată.

Cercetările arheologice au dovedit că pentru veacurile XV - XVI sunt prezente două faze de locuire, atestate atât pe baza resturilor de construcţii, cât şi pe mărturia urmelor de vieţuire de toate zilele. S-a putut identifica chiar un strat de locuire sub nivelul bisericii de la 1575-1577, în care se mai păstrau resturi de chirpici folosit la construcţia de locuinţe. Au fost descoperite de asemenea monede diverse datate în secolul XV. Urme ale unui puternic incendiu dovedesc distrugerea cel puţin a unei părţi a aşezării de la începutul secolului XVI.

În cercetările din anii 1950 au fost descoperite 34 de morminte datate din a doua jumătate a secolului al XV şi din secolul XVI. Cimitirul de pe acest deal era destul de întins şi ajungea până la capătul de răsărit al dealului şi spre biserica Bucur. Cuprindea în acelaşi timp şi o parte din curtea interioară a mănăstirii, mai ales pe platoul de nord şi sud, începând din dreptul absidelor dinspre est ale bisericii. Din secolul XVII au fost descoperite doar morminte de călugări.
În interiorul bisericii au fost descoperite şi cercetate 29 de morminte, printre care şi cel al domnitorului Radu Mihnea şi al fraţilor săi, Elena şi Vlad. Toate mormintele erau complet răvăşite.
Un mormânt de secol XVII aparţinând unei femei a fost descoperit la cca 0,70 m de fundaţia bisericii în sondajul din dreptul pronaosului.

Mânăstirea Radu Vodă cu hramurile Sfânta Treime şi Sfântul Ierarh Nectarie al Eghinei a fost ctitorită de voievodul Alexandru al II-lea Mircea (1568-1577) şi doamna sa, Ecaterina pentru a fi mitropolie. Lucrările au fost continuate în timpul domniei lui Mihnea Turcitul, fiind gata probabil înainte de 1585, când apare descrisă de Franco Sivori ca fiind foarte frumoasă şi aşezată pe un loc înălţat. La vremea întemeierii, purta numele Sfânta Troiţă. În frământările acelor vremuri, sfântul aşezământ cade, în 1595, în mâinile turcilor, care o fortifică cu palisade, cu valuri de pământ, şanţuri de apărare şi cu bastioane. Urme ale acestor structuri au fost identificate arheologic în cercetările din 1952-1954.
Mihai Viteazul învinge pe turci iar aceştia o incendiază înainte de a se retrage, împreună cu restul construcţilor aflate pe deal. Abia în 1614, voievodul Radu Mihnea (1601-1602, 1611-1616, 1620-1623) a început reconstrucţia, păstrând planurile şi elevaţia edificiului de origine. Lucrările au fost terminate în timpul domniei fiului său Alexandru Coconul (1623-1627). Din această perioadă se păstrează şi numele sub care biserica este astăzi cunoscută.
Lăcaşul de cult a trecut prin mai multe etape de reparaţii, în 1714, când a fost rezugrăvită şi i s-a adăugat pridvorul (sau, după alte opinii, a fost doar refăcut un pridvor existent); după cutremurele din 1790, 1793, 1794, 1802 şi 1838. Între 1859-1864 au avut loc importante schimbări: au fost refăcute turlele şi pridvorul şi au fost dărâmate unele chilii şi paraclisul.
La 24 mai 1875 au fost dărâmate clădirile cu etaj, în locul lor ridicându-se în 1893, clădirea fostului Internat Teologic.
Planul şi formele arhitectonice ale bisericii Radu-Vodă sunt inspirate din cele ale bisericii lui Neagoe Basarab de la Curtea de Argeş, cu diferenţa că materialul de construcţie întrebuinţat nu este piatra, ci cărămida. Planul este triconc, cu turlă pe naos, cu un pronaos lărgit, ce avea şi funcţia de gropniţă, acoperit cu trei turle dintre care cea principală se sprijină pe douăsprezece coloane, simbolizând pe cei doisprezece apostoli, ca şi la modelul de la Curtea de Argeş.
Înfăţişarea actuală a bisericii este datorată ultimei restaurări, condusă de arhitectul Ştefan Balş între anii 1969-1974, care a adus lăcaşul de cult la formele sale arhitectonice iniţiale.

În cercetările din 1952-1954 s-au descoperit urme care indică existenţa unui locaş anterior din lemn de la sfârşitul secolului al XV-lea - începutul secolului al XVI-lea. Refacerea lui Radu Mihnea după 1613 a urmat acelaşi plan cu al edificiului distrus de turci, acesta fiind de dimensiuni cu puţin mai restrânse, descoperindu-se pe întreg perimetru interior al bisericii, în spaţiul dintre primele două pardoseli, a resturilor peretelui iniţial, retras cu cca 15 cm faţă de cel refăcut.

Situate la cca 35 m de faţada de vest a bisericii Radu Vodă, despre ruinele „fostelor case domneşti” au rămas puţine informaţii. Aceste case erau destinate adăpostirii oaspeţilor importanţi, după cum aflăm dintr-un hrisov din anul 1614, în care se spunea: „ci să aibă a fi un loc de ospătărie în toată vremea, că de va aduce dumnezeu oaspeţi sau domn sau arhiereu sau boier sau călugări... să nu fie lipsită de cele trebuincioase sfânta mânăstire...pentru că acest loc şi această mânăstire este aproape de scaunul domnesc şi în toată vremea a fost obiceiul domnilor si arhiereilor şi boierilor...” . Palatul de oaspeţi din incinta mânăstirii servea câteodată şi drept reşedinţă domnitorului Tării Româneşti, aşa cum s-a întâmplat în 1738 când silit de molimele din oraş domnitorul Constantin Mavrocordat s-a instalat pentru o perioada aici . În 1847 se aflau încă în picioare, deoarece apar reprezentate pe planul realizat de R. A. Borroczyn, dar în 1893 când este alcătuit un alt plan de către G.A. Orăscu erau deja dărâmate.

Între 1953-1954 au avut loc cercetări arheologice la mânăstirea Radu Vodă. Din Casele Domneşti nu s-au mai păstrat decât o sală mare şi două încăperi de dimensiuni reduse. Încăperea cea mai mare, cu o suprafaţă de peste 100 mp era împărţită în lungime de patru arcade semicirculare, pe care se sprijineau nivelurile superioare. Zidurile descoperite sunt groase, lucrate îngrijit, iar acelea de la exterior, care privesc spre pantă, folosesc un decor de cărămizi aparente, împlântate în masa zidăriei. Mai târziu în veacul XVII, când s-au ridicat noi construcţii, aceste încăperi au fost înglobate şi refolosite, suferind unele modificări. Au existat mai multe propuneri de conservare şi punere în valuare a acestor vestigii de-a lungul timpului. În 1957 se va realiza un proiect de astupare cu pământ şi marcare la nivelul solului a încăperilor descoperite, iar în 1975 se va realiza un un proiect de amenajare a unui muzeu în pivniţele fostului Palat Domnesc. Din cauza desfinţării D.P.C.N în 1977, din lucrările necesare au fost realizate doar o mică parte, mai precis plombările pe ambele feţe ale zonelor de zidărie degradate. În 2013 a fost iniţiat un proiect de consolidare, restaurare şi punere în valoare a ruinelor caselor domneşti, cu care ocazie a a fost dezvelită, până la nivelul fundaţiei, latura nord vestică a caselor domneşti. Pentru verificarea fundaţiilor şi a depunerilor arheologice au fost realizate în 2014 două casete paralele, la nord-vest de zidurile Casei Domneşti, în care săpătura a atins cota de -4,20m/4,70 m faţă de nivelul actual de călcare. Materialul arheologic descoperit a fost redus cantitativ şi conţinea câteva fragmente ceramice şi bucăţi de cahle placă traforate şi cahle de coronament din secolele XVI – XVII.

Turnul clopotniţă al mânăstirii Radu Vodă a fost construit în timpul refacerii lui Radu Mihnea. Fiind deja avariat, turnul se dărâmă la cutremurul din 1802 şi este reconstruit pe temeliile vechi în 1804. O nouă restaurare are loc în anii 1969-1974.

Biserica cu hramul Sfinţii Atanasie şi Chiril - Bucur Ciobanul, considerată un paraclis al mănăstirii lui Radu-Vodă, a fost ridicată cel mai probabil către mijlocul secolului al XVIII-lea, deşi sunt acceptate şi ipoteze privind un edificiu precursor datând de la începutul secolului al XVI-lea, şi refăcută în vremea lui Constantin Brâncoveanul. Biserica a fost restaurată apoi în două etape majore, în 1869 şi în 1909-1910. Într-un desen al lui C. Popp de Szathmary, biserica apare înconjurată de un cimitir. În data de 9 iunie 1914, Comisiunea Monumentelor Istorice aloca o sumă de bani pentru repararea bisericii Bucur, însă din cauza războiului, lucrările sunt întrerupte. În 1922 se discută continuarea lucrărilor, a refacerii picturilor, începute iniţial în 1915. Pe 19 iulie 1928 sunt terminate lucrările de consolidare. În 1938 au loc noi lucrări, când este reparat şi acoperişul. În 1942 a fost reparat zidul de sprijin de pe latura de sud a colinei. În 1948 şi 1950 sunt aprobate noi lucrări de restaurare. O restaurare recentă recentă a avut loc în anii 2008-2009.

Conform unei legende, biserica a fost zidită de ciobanul Bucur, iar în jurul acesteia s-a dezvoltat oraşul Bucureşti. Legenda a fost introdusă în literatura istorică scrisă în 1835 de către geograful I. Genilie, profesor la colegiul Sf. Sava. Preotul Grigore Musceleanu a creat o inscripţie care ar fi menţionat ctitorul, pe Mircea cel Bătrân şi ar fi datat biserica drept una construită în 1416, aflată pe locul unui edificiu mai vechi, din lemn. Nimeni însa nu a putut consulta această inscripţie. Săpăturile arheologice din 1953-1954 au evidenţiat faptul ca nu există dovezi ale existenţei unui lăcaş de cult mai vechi de a doua jumătate a secolului al XVIII-lea.