为真实再现其历史风貌，20世纪80年代以来，
中国社会科学院考古研究所洛阳唐城队和洛阳市文物工作队先后多次对其进行大规模考古发掘，大体搞清了应天门的基本形制和布局：一门三道过梁式建筑结构，是一组以城门楼为主体，两侧辅以垛楼，向外伸出阙楼，其间以廊庑连为一体的“凹”字形巨大建筑群。其中应天门是隋唐洛阳城最具代表性的建筑之一，是整个宫城的正南门，它南与皇城正门端门、郭城正门定鼎门，北与明堂、玄武门及龙光门等构成整个隋唐洛阳城的南北轴线，是隋唐洛阳城中轴线上的标志性建筑。
出土遗物中的建筑构件，有唐代的莲花纹瓦当、筒瓦、专门用于砌城墙的斜面长方形砖以及铺地用的大型莲花纹方砖，宋代建筑构件有兽面瓦当等，制作规整，大气，具有明显皇家风范。
应天门遗址保护展示方案，根据《隋唐洛阳城遗址保护规划》的相关内容，结合宫城区整体保护展示和隋唐洛阳城国家考古遗址公园建设需要而设计，确保应天门、天堂、明堂所在宫城区展示设计的整体性和景观风貌的协调性，目前有两个设计方案。
方案一基于遗址原状研究，最大限度保持建筑造型比例、尺度、色彩与历史建筑的统一，在保证遗址本体安全的前提下，采用抬高建筑基础的形式，内部采用大跨度钢结构体系，避免建筑基础对遗址造成影响。作为定鼎门、天堂、明堂中轴线上重要的节点，在有效保护遗址的同时，使历史城市空间得以重塑。
方案二同样基于遗址原状研究，但相较方案一“抬高基础”的形式，它采用了建筑整体扩大1.2倍的方式，保证遗址本体的绝对安全，内部依旧采用大跨度结构，建筑造型在比例、色彩、构造等方面与历史建筑一致。