חפירות תת-ימיות בקיסריה נערכו לראשונה בשנת 1960, בראשותו של א"ד לינק, ונחשף קו המתאר של הנמל הרומי המוצף, אשר אותר גם באמצעות תצלומי אוויר. בין השנים 1972-1963 נערכו חפירות בתחומי הנמל רומי מטעם האגודה למחקר תת-ימי בישראל בראשותו של א' לינדר. מאז שנת 1975 נחפר האתר בידי המרכז ללימודי ים באוניברסיטת חיפה בראשותו של א' רבן, ובהשתתפות ר"ל הולפלדר, ג"פ אולסון, ר"ל ון ור' שטייגליץ, וב-1989 בידי א' רבן, ק"ג הולום וא"ג ריינהרט.

המחקר המתמשך באתר העלה כי מכלול הנמל ההרודיאני (סבסטוס) מורכב משלושה אגנים: (1) בים הפתוח – נבנה מחומרי בנייה מיובאים; (2) האגן התיכון – בנוי על גבי רכס הכורכר; (2) האגן הפנימי -  נחפר בחלקו על החוף. נחשפו שני מגדלים משני צדי תעלת הכניסה, בהתאמה מדויקת לתיאוריו של ההיסטוריון יוספוס פלביוס. כן נתגלו מזחים באתרם בצדו הצפוני-מזרחי של האגן התיכון ומחסות לספינות (ship shades).

המזחים העיקריים נבנו באבני גזית שהונחו על צדן הצר ומאבנים גדולות מבטון הידראולי שנוצקו בתוך תבניות עץ. במהלך החפירות נחשפו המזחים שהקיפו את האגן הפנימי, תעלות השטיפה וסדרה של תיקונים מאוחרים ששימשו עד לתקופה הביזאנטית.

ספינות טבועות אחדות נתגלו מעל שובר הגלים המרכזי של הנמל ההרודיאני ומסביב לו. חלק מגוף עץ של ספינת מסחר גדולה מהמאות הי"ח-הט"ו לפסה"נ, אשר נשאה חומרי בנייה וטוף וולקני מאיטליה, שנועדו לבניית הנמל הרומי התגלה צפונית לנמל ההרודיאני.

בתחומי האגן התיכון של הנמל ההרודיאני נחשף מגדל הלינסטי מכוסה במי הים, השייך למעגן ההלינסטי של מגדל סטרטון. מזחים אחדים, בנויים אבני גזית, הובחנו לאורך החוף מדרום לנמל קיסריה; תאריכם התקופות הרומית המאוחרת והביזאנטית.

חוקרים זיהו עדויות ארכיאולוגיות וגיאולוגיות לפעילות ניאו-טקטונית באזור קיסריה. שרידים של חלקו המערבי של הנמל ההרודיאני נמצאו בעומק של 6-5 מ' מתחת למפלס פני הים. הוצע כי יש לייחס את שקיעת הנמל לשבר ניאו-טקטוני שצירו צפון-דרום, שאירע בשלב מאוחר לתקופה הרומית. חוקרים אחרים טועני שהעדויות הארכיאולוגיות והגיאולוגיות מצביעות על כך שאזור קיסריה היה יציב מבחינה טקטונית במהלך 2000 השנים האחרונות. אלה מסבירים את שקיעת החלק המערבי של הנמל ההרודיאני בכך שהוא נבנה על משקעים לא יציבים.