În săpăturile vechi s-au descoperit materiale ceramice Coţofeni, topoare din piatră şlefuită, dar şi un topor de cupru cu braţele în cruce de tip Jászládány, varianta Orşova.

Prima fază a Sarmizegetusei, cuprinzând clădiri publice şi sistemul defensiv, a fost construită de un detaşament al legiunii IV Flavia Felix. A urmat o formulă arhitecturală tipică romană, bazată pe simetrie şi plan hippodamic, cadrilat. Colonia a fost împrejmuită cu un zid masiv. La un moment dat, aceasta a fost extins spre vest, perimetrul zidit măsurând în cele din urmă aproximativ 540 × 600 m (32,4 ha). În interior erau amplasate cele mai importante clădiri administrative şi publice, precum şi reşedinţe private, dispuse în spaţii rectangulare (insulae). În centrul oraşului se afla principalul spaţiu public, forul (numit convenţional forum vetus), construit în timpul domniei lui Traian. Se putea intra printr-un edificiu monumental cu patru portaluri (tetrapylon), care marca intersectia celor doua strazi principale ortogonale. De fiecare parte a acestei intrări era o fântână publică dedicată nimfelor. La sud de acest forum, peste o piaţă anterioară, a fost ridicat un nou forum în jurul anului 153 d.Hr. (forum novus), iar la capătul său vestic a fost amplasat primul Capitolium al provinciei, adică templul dedicat lui Jupiter, Juno şi Minerva. Acest edificiu a marcat Sarmizegetusa ca centru religios al Daciei. Alte locuri de cult importante din oraş au fost dedicate divinităţilor orientale, cum ar fi templul pentru „zeii patriei” din Palmyr, ridicat la începutul secolului al III-lea în apropierea forului. Sediul procuratorului financiar al Daciei Apulensis a fost construit la nord-est de for. Acest ansamblu cuprindea birouri, băi, zone rezidenţiale, locuri de cult şi curţi interioare şi era flancat la nord şi la est de două hambare.

În afara zidurilor oraşului, aşezarea a continuat mai ales spre nord, acoperind în final o suprafaţă de aproximativ 100 ha şi găzduind peste 20.000–25.000 de locuitori. Cea mai notabilă structură de aici este amfiteatrul (88 × 69 m). O fază iniţială din lemn construită în perioada timpurie a coloniei a fost ulterior reconstruită în piatră pe la mijlocul secolului al II-lea p. Chr.. La sud de amfiteatru a fost dezgropat un mare complex de băi, în timp ce spre est se întinde „zona sacră” cu mai multe temple şi sanctuare. Cel mai important dintre acestea este aşa-numitul „mare templu”, care a dat inscripţii votive dedicate mai multor zei romani. Alte sanctuare mai mici, aparţinând lui Nemesis, Liber Pater, Silvanus, Domnus şi Domna, Aesculapius şi Hygeia au fost cercetate arheologic cel puţin parţial. Câteva clădiri la scară mare au fost identificate recent pe imaginile LiDAR în afara zidului estic al oraşului.
În intravilanul satului, la 150 m V faţă de forul Coloniei Dacica Sarmizegetusa, a fost cercetată în 2006, pe o proprietate privată, o zonă care se presupune că grădina unei case din interiorul oraşului. Au fost surprinse lespezi mari de piatră (posibil de la drumuri) şi blocuri de marmură. Pe două dintre aceste blocuri au fost surprinse orificii ce ne dovedesc faptul că provin de la un prag al unei intrări.
Oraşul a fost populat cu veterani ai războaielor dacice şi colonişti de pe tot cuprinsul Imperiului. Prin urmare, oraşul a fost profund roman de la început, aşa cum o dovedeşte şi arhitectura monumentală şi lucrările artistice. În timp, veteranii palmirieni care s-au stabilit aici au contribuit la apariţia unei importante comunităţi etnice, cu legături strânse cu patria lor siriană. Creşterea continuă şi prosperitatea lui Sarmizegetusa i-au adus titlul de metropolă în prima parte a secolului al III-lea.
După abandonarea oficială a Daciei, populaţia din Sarmizegetusa a scăzut dramatic. La un moment dat, mica comunitate rămasă s-a mutat în interiorul amfiteatrului. Prin blocarea intrărilor cu monumente funerare anterioare, a fost creată o mică „fortificaţie” uşor de protejat, locuită până la sfârşitul secolului al IV-lea.