Το αρχαίο Δίον ταυτίστηκε στα νεότερα χρόνια από τον Άγγλο συνταγματάρχη και περιηγητή W. M. Leake, ο οποίος κατά τη διάρκεια των περιηγήσεών του στη Μακεδονία επισκέφθηκε την περιοχή τον Δεκέμβριο του 1806. Μισό αιώνα αργότερα, το 1855, και εκ νέου το 1861, βρέθηκε στο Δίον ο Γάλλος αρχαιολόγος L. Heuzey. O Heuzey επιβεβαίωσε την ταύτιση του Leake και έκανε επιπλέον παρατηρήσεις σχετικά με τα ορατά λείψανα της αρχαίας πόλης, ενώ δημοσίευσε και επιγραφές.
Οι ανασκαφές στο Δίον ξεκίνησαν πολλά χρόνια αργότερα, τον Μάιο του 1928, από τον τότε πρύτανη του νεοϊδρυμένου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Γ. Σωτηριάδη. Για τέσσερα συνεχόμενα καλοκαίρια (ως το 1931) και κάτω από αντίξοες συνθήκες, ο Σωτηριάδης ερεύνησε δοκιμαστικά διάφορα σημεία εντός και εκτός πόλης, ψάχνοντας πρωτίστως για το ιερό του Ολυμπίου Διός. Παρότι ο βασικός του στόχος δεν επετεύχθη, ο ανασκαφέας εντόπισε διάφορα κτήρια, με σημαντικότερα από αυτά έναν μακεδονικό τάφο με δωρική πρόσοψη και ιωνικό προθάλαμο και μία παλαιοχριστιανική βασιλική με δύο οικοδομικές φάσεις. Επίσης, μετά από επιμονή και προσπάθεια πέτυχε την κατασκευή ενός μικρού Μουσείου για τη φύλαξη των ευρημάτων της ανασκαφής αλλά και των γλυπτών, επιγραφών και αρχιτεκτονικών μελών που συνέλεξε από τη γύρω περιοχή.
Μετά από διακοπή τριών περίπου δεκαετιών, η ανασκαφή του Δίου άρχισε πάλι το 1963 με πρωτοβουλία του καθηγητή Κλασικής Αρχαιολογίας στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Γ. Μπακαλάκη. Στο επίκεντρο βρέθηκε ξανά η αναζήτηση του ιερού του Διός, η οποία ωστόσο δεν απέδωσε. Επιπλέον, ο Μπακαλάκης ερεύνησε συστηματικά τον οχυρωματικό περίβολο, εντόπισε και ανέσκαψε έξω από τα τείχη της πόλης το ρωμαϊκό θέατρο, ενώ πραγματοποίησε και εκτεταμένη επιφανειακή έρευνα. 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 με πιο εντατικούς ρυθμούς υπό τη διεύθυνση του καθηγητή Κλασικής Αρχαιολογίας στο ίδιο Πανεπιστήμιο Δ. Παντερμαλή. Η έρευνα ακολούθησε διάφορες κατευθύνσεις. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στην αναζήτηση των ιερών και στην έρευνα της αρχαίας λατρείας, που είχε ως αποτέλεσμα την εν τέλει αποκάλυψη του ιερού του Ολυμπίου Διός, καθώς επίσης κι αυτών της Δήμητρας, της Ίσιδος και του Διός Υψίστου, όλα τους στην περιοχή νοτίως του τειχισμένου οικισμού.
Ενδιαφέρον υπήρξε όμως και για τη χριστιανική φάση της ζωής του Δίου, με συμπληρωματικές έρευνες στην εντός του περιβόλου βασιλική, η οποία και ταυτίστηκε με τον επισκοπικό ναό της πόλης, και την αποκάλυψη μίας δεύτερης, κοιμητηριακού χαρακτήρα, έξω από το νότιο τείχος. 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. Ακόμα, υπήρξε φροντίδα για την ανασκαφή των νεκροταφείων της πόλης.
Σήμερα, η ανασκαφή του αρχαίου Δίου έχει προχωρήσει σημαντικά, με αποτέλεσμα να μπορεί να αποκομίσει κανείς μια συνολική εικόνα του χώρου, αναδεικνύοντας ταυτόχρονα το Δίον ως έναν από τους σημαντικότερους αρχαιολογικούς χώρους της Ελλάδας. Η πανεπιστημιακή ανασκαφή του Τομέα Αρχαιολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης συνεχίζει την έρευνα σε νέες αλλά και παλαιότερες θέσεις, ενώ διατηρεί έντονο τον εκπαιδευτικό της χαρακτήρα, καθώς αποτελεί πεδίο επιστημονικής άσκησης και κατάρτισης δεκάδων φοιτητών κάθε χρόνο. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην προώθηση της μελέτης και συντήρησης των μνημείων και των ευρημάτων της ανασκαφής, όπως και στην αξιοποίηση σύγχρονων τεχνολογιών στην έρευνα, προβολή και ανάδειξη του Δίου.
