Οι συστηματικές αρχαιολογικές έρευνες ξεκίνησαν το 1928, από τον καθηγητή Γεώργιο Σωτηριάδη, τον τότε πρύτανη του νεοϊδρυμένου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, χάρη στον οποίο απαλλοτριώθηκε και διασώθηκε ο αρχαιολογικός χώρος και έγινε το πρώτο μικρό μουσείο, όπου μεταφέρθηκαν τα πρώτα ευρήματα. Ο Σωτηριάδης, κάτω από αντίξοες συνθήκες, εντόπισε διάφορα κτήρια, με σημαντικότερα από αυτά έναν μακεδονικό τάφο και μία παλαιοχριστιανική βασιλική. 

Μετά από διακοπή τριών περίπου δεκαετιών, η ανασκαφή του Δίου άρχισε πάλι το 1963 με πρωτοβουλία του καθηγητή Κλασικής Αρχαιολογίας στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Γεώργιο Μπακαλάκη. Παράλληλα, ερευνήθηκε συστηματικότερα από τον καθηγητή Βυζαντινής Αρχαιολογίας Στ. Πελεκανίδη η παλαιοχριστιανική βασιλική που είχε φέρει στο φως ο Γ. Σωτηριάδης.

Το 1973 ξεκίνησε μία νέα περίοδος ανασκαφών υπό τη διεύθυνση του καθηγητή Κλασικής Αρχαιολογίας στο ίδιο Πανεπιστήμιο, Δημητρίου Παντερμαλή. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην αναζήτηση των ιερών και στην έρευνα της αρχαίας λατρείας, που είχε ως αποτέλεσμα την αποκάλυψη του ιερού του Ολυμπίου Διός, καθώς κι αυτών της Δήμητρας, της Ίσιδας και του Διός Υψίστου. Επίσης, συνεχίστηκε ο εντοπισμός και η αποκάλυψη δημόσιων κτηρίων, όπως του ελληνιστικού θεάτρου, της ρωμαϊκής αγοράς και πολλών συγκροτημάτων λουτρών, αλλά και ιδιωτικών κατοικιών, ορισμένες από τις οποίες ιδιαίτερα πολυτελείς, όπως η λεγόμενη έπαυλη του Διονύσου. Ενδιαφέρον υπήρξε και για τη χριστιανική φάση της ζωής του Δίου, με έρευνες από τον καθηγητή Βυζαντινής αρχαιολογίας του Α.Π.Θ., Α. Μέντζο. 

Από το 2008 έως το 2019 την ευθύνη του ανασκαφικού και ερευνητικού έργου είχε η Καθηγήτρια Κλασικής Αρχαιολογίας Σεμέλη Πινγιάτογλου. Από το 2020 τη διεύθυνση της Πανεπιστημιακής ανασκαφής στο Δίον έχει αναλάβει η Καθηγήτρια Κλασικής Αρχαιολογίας Ελένη Παπαγιάννη.