העיר הקדומה שכנה על שתי גבעות (יש המבחינים בין שלוש גבעות). "הר המוריה" (גובה 743 מ'), שממנו יוצאת שלוחה צרה ומשופעת לכיוון דרום (גובה ממוצע 713 מ'). לאחר שנתמלא האוכף שבין שתי הגבעות, הן היו לגבעה אחת, שהחוקרים מכנים אותה "הגבעה הדרומית מזרחית" (או בקיצור "הגבעה המזרחית"), הידועה גם כ"גבעת העופל". גבעה זו מוקפת על ידי נחל קדרון (במזרח) והגיא המרכזי (במערב), המתחברים בקצה הדרומי של הגבעה בגיא בן הינום. מעבר לגיא המרכזי, מתנשאת "הגבעה המערבית" (גובה 763 מ'), הרחבה הרבה יותר מזו המזרחית. היא מוקפת על ידי הגיא המרכזי (במזרח) וגיא בן הינום (בדרום ובמערב), ונתחמת בצפון על ידי נחל רדוד, המכונה גם "הנחל הצולב".
הגבעה הדרומית מזרחית.
על שטח הגבעה נערכו מספר רב של חפירות לקביעת היקף ביצורי ושטח עיר דוד.
קטע מביצורי העיר המקראית נחשף מדרום לפינה הדרומית-מזרחית של הר הבית, המזוהה עם העופל. על בסיס חפירות של קתלין קניון ערך בנימין מזר בשנת 1976 חפירה שחשפה מבנה ציבורי ובו מערום של 40 כלי אחסון. מזר זיהה את הבניין כבית מילוא בו נרצח יואש. בחפירות נוספות שנערכו על ידי איילת מזר הורחב אזור החפירה והחוקרת הגיע למסקנה כי מכלול המבנים שנחשפו הם ביצורי שער ובצמוד לו שרידי בניין גדול (בניין D) ובאחד מחדריו נמצאה כתובת עם שרידי כתובת עברית לשר האו[פים] - עדות כי מדובר במבנה ציבורי. מחרסים נוספים שנמצאו בשטח עולה כי הוא היה בשימוש החל מהמאה ה-9 לפנה"ס ועד לחורבנו בידי הצבא הבבלי. על פי החוקרים, שער המים המצוין בספר נחמיה הוא המתאים לזיהוי עם הממצאים, המגדל זוהה עם המגדל היוצא ומכלול המבנים כבית המלך העליון המופיע ב. ממצאים אלו אינם נותנים תמונה מלאה על הקשר בין שלושת חלקי העיר המקראית - עיר דוד, העופל והר הבית. בנימין מזר ואיילת מזר טוענים - על פי הממצאים כי קבוצת מבני הציבור שבנה שלמה המלך במאה ה-10 לפנה"ס - ארמונות המלך ובית המקדש - היו בתוך מתחם מבוצר המופרד משטח העיר, העופל היה שטח בלתי מיושב ולא בנוי, רק במאה ה-9 לפני הספירה חוברו הר הבית ועיר דוד על ידי בניית חומה והכלל העופל בשטח העיר. הממצאים המקוטעים מותירים סימני שאלה אם שורת הממצאים הנזכרים לעיל מהווים חלק מביצורי העיר החיצוניים או חלק ממצודה בתוך שטח העיר.
המדרון המזרחי של הגבעה נחפר מספר רב של פעמים אך רק בסוף המאה העשרים החלה להתגבש תמונה מסודרת של הממצאים אך גם לגבי חלקם המבנה המדורג והטרסות קיימים חילוקי דעות הן לגבי תאריך בנייתם ותפקידם. על המדרון חשפה קתלין קניון קטעי חומה, רחוב ובתי מגורים מהמאות ה-9 וה-8 לפנה"ס. חפירות נוספות של יגאל שילה במורד המדרון חשפו את רובו של המבנה המדורג עד לגובה של 18 מטר, ומבנה של קירות תמך שנחפרו על ידי קניון ושילה (מוכרים גם כשטח G ). המערכת האמורה מורכבת משבעה קירות אבן מדורגים, הנמתחים לאורך המדרון ובשילוב עם קירות אבן המונחים בתבנית של שתי וערב יוצרים ריבועים שמולאו באבנים. ההנחה היא שמערכת זו שימשה כתמך לבניה שהייתה בראש התל ואיפשרה ליצור מסד שטוח ורחב במעלה שלוחת עיר דוד, עליו עמדה המצודה (מצודת ציון), מהן לא נותר זכר. ממצא זה מצייר את קו הביצורים המזרחי של עיר דוד המבוסס על ביצורי העיר הכנענית.
שטח החפירה הנרחב ביותר שסומן על ידי יגאל שילה באותיות E ו-D נמצא במדרון המזרחי והדרום מזרחים של עיר דוד ובו נחשף קטע של כ-90 מטר מחומת העיר מסוף תקופת בית ראשון. החומה נבנתה - ככל הנראה - על תוואי ובסיס החומה של העיר הכנענית וההשערה כי מדובר בהמשך של חומה שנחשפה על ידי קתלין קניון במדרון המזרחי - כ-110 מטר צפונה. עדיין לא ברור היכן נסתימה החומה המזרחית לכוון דרום ואין כל ממצא המציין את תוואי החומה באזור העופל.
בחפירות שנערכו מצד מערב של עיר דוד נחשפה עוד בשנת 1927 חומה עבה הבנויה מאבנים גדולות המונחות בנדבכים על גבי הסלע הטבעי. אורכו הכולל של הקטע שנחשף הוא כ-27 מטר ובגובה של 7 מטר, בקטע זה נחשף שער שרוחבו כ-3 מטר ואף על פי שאין ראיות חותכות לגיל החומה מוסכם על ידי החוקרים כי היא מימי בית ראשון והשער זוהה ללא ודאות כשער הגיא הנזכר ב. עם התרחבות העיר לכוון מערב במהלך המאה השמינית לפנה"ס הפך השער לפנימי והחומה הפסיקה לשמש כביצור פעיל.
הרבעים החדשים ממערב לעיר דוד.
החפירות הארכאולוגיות שנערכו ברובע היהודי בין השנים 1969 ל-1982 על ידי נחמן אביגד העלו ממצאים על תהליך ההתפשטות והתרחבות ירושלים של בית ראשון אל עבר הגבעה המערבית (הר ציון). הממצא החשוב ביותר הוא קטע באורך של 65 מטר מחומת ירושלים ורוחבו כ-7 מטרים ולצידה שרידי דרך שהובילה ככל הנראה לשער. קטע זה המיוחס לימי חזקיהו ומזוהה כ"החומה הרחבה" המוזכרת ב. בשטח חפירה נוסף מצפון נחשפה פינה של מבנה מבוצר בגובה 8 מטר שזכה לשם המגדל הישראלי. שרידים נוספים באזור המגדל הביאו את אביגד לקביעה כי המבנים מהווים חלק מבית שער ענק וזיהה אותו כשער התווך המוזכר ב. בשטח חפירה נוסף נתגלה קטע ביצור מאסיבי - אולי מגדל תצפית. בין הממצאים בשטח החפירה בו נתגלו המגדלים לחומה הרחבה מפרידים עשרות מטרים ולא ברור אם קיים קשר ביניהם. ההשערה כפי שהועלתה על ידי החופר נחמן אביגד היא שבשלב ראשון נבנו מחוץ לחומות העיר בתים למגורים, ולאחר מכן נבנתה החומה הרחבה שהגנה על הרובע המערבי החדש.
חפירות נוספות בגן הארמני ובחצר המצודה העלו קטעי ביצורי ומבני מגורים מתקופת בית ראשון אך ממצאים אלו אינם יוצרים תמונה אחידה או מוסכמת על חוקרי ההיסטוריה של ירושלים, אך המסקנה היא כי הגבעה המערבית ואזור הר ציון היו חלק מירושלים בסוף תקופת בית ראשון. מסקנה זו נעזרת בדברי יוסף בן מתתיהו בספרו מלחמת היהודים (ספר ה' פרק ד) המתארים את בניית החומה הראשונה על תוואי חומה קדומה המיוחסת למלכי יהודה - כפי שהעלו ממצאים ארכאולוגיים ברובע היהודי שמצאו חפיפה בין ביצורים משתי התקופות ומאפשר לקבל גישה מרחיבה הכוללת את כל הגבעה המערבית והר ציון בתוך החלק המבוצר של ירושלים.
למרות התמונה הקטועה, מצביעים הנתונים שנאספו על ירושלים של סוף ימי בית ראשון כעיר גדולה יחסית - נתונים שהד להם נמצא במקרא המזכיר בניית רבעים חדשים מחוץ לעיר דוד - משנֶה, מכתש, גועה ואחרים. התרחבות זו היא ללא השוואה לערים אחרות בארץ ישראל בתקופת המקרא. מעיר מבוצרת בגודל של 165 דונם גדלה ירושלים פי ארבעה - לעיר בת 655 דונם. תהליך הגידול של ירושלים הואץ עם חורבן ממלכת ישראל ולאחר מכן חורבן ערי יהודה על ידי סנחריב שהביאו לבריחת פליטים שגורשו או נטשו את בתיהם מפני המלחמה וברחו אל תוך ירושלים.
לדברי נחמן אביגד, עובדת ישיבתם של חולדה הנביאה ובעלה, שהיה פקיד גבוה בחצר המלך, מעידה על כך שמדובר ברובע מגורים של המעמד המכובד, ואילו המכתש היה כנראה רובע של מסחר ומלאכה וככל הנראה היה ממוקם בגיא המרכזי שבין הגבעות.
בית המקדש.
היוזמה להקמת משכן קבע לארון מיוחסת לדוד המלך, שאף נקט בסדרת צעדים להתחלת המיזם - רכישת השטח, ריכוז חומרי בניין וגיוס תרומות, המחקר המודרני מעלה סימני שאלה האם התיאור הוא היסטורי או מיתוס שתפקידו לקבע את דוד כמייסד הפולחן. ההנחה הרווחת במחקר ההיסטורי של תחילת המאה העשרים ואחת מייחסת את בנין בית המקדש לתקופה המאוחרת יותר - תקופת המלוכה של שלמה.
הקמת מתחם המקדש הייתה כרוכה בשינוי מהותי בעיר ירושלים שעד לאותה תקופה הייתה בנויה על בסיס העיר הכנענית יבוס שהייתה קטנת מידות וצרה מהכיל בניני פאר. לשם כך הורחב תחום המבוצר של העיר כלפי צפון ונכללה בו הגבעה הצפונית עליה נבנה אקרופוליס שהיה מתחם מבוצר, נפרד משטח העיר ובו ארמון המלך, בית המקדש וחצרותיו ומבנים נוספים כגון בית יער הלבנון. מתחם דומה נחשף גם בעיר שומרון בירת ממלכת ישראל וערי בירה בצפון סוריה. המקדש עמד על מכונו במשך 380 שנים עד לחורבנו ועבר מספר שיפוצים ותיקונים המוזכרים בספר מלכים פעם בימי המלך יהואש ופעם בימי יאשיהו.
בית המקדש, או בשמו התנכי: בית האלוהים לא היה חידוש ישראלי אלא תפיסה תאולוגית ומוסד דתי שהיה קיים בתרבויות קדומות ואומץ על ידי עם ישראל. בבתי המקדש הפגניים ששימשו כמקום מגורים לאלילים עמד פסל או צלמית של האל. מקדש שלמה בירושלים נבנה כמקום מגורים לאלוהי ישראל ובעת חנוכת הבית אומר שלמה המלך: , בבית זה הוצב הארון שהיה מרכבתו של האל מחוץ למשכן והדום לרגלי האל כאשר היה בקודש הקודשים. בספר יחזקאל באה לידי ביטוי השקפתם של מעמד הכוהנים שהמקדש התמלא בכבוד האלוהים מעת הקמתו ומכוח זה ממלא את חיי בני עם ישראל. יחזקאל בן בוזי הכוהן מתאר בספר נבואותיו - ספר יחזקאל את מהות חזון המקדש והשכינה ומתאר בפרק א את כבוד אלוהים כדמות אדם עשויה אש ונוגה, היושבת על כיסא ספיר ומתחתיה מרכבה עשויה חיות ואופנים.
ממקדש שלמה לא נמצאו שרידים כלשהם ולפי הארכאולוג מיכאל אבי יונה, קרוב לוודאי שגם אם יתבצעו חפירות בהר הבית לא תעלה החפירה ממצאים של ממש, הן משום שהסלע הטבעי בהר הבית קרוב לפני הקרקע, ומשום שהשטח עבר תמורות מרובות מאז החורבן. מקור אחד לשיחזור הם תיאורים של המקדש כפי שמופיעים בפירוט יחסי במקרא, מקור מחקרי והשוואתי נוסף הם מקדשים קדומים שנחשפו בארץ ישראל אך אלו מועטים ומציגים תמונה לא אחידה ודלה. התיאורים כפי שמופיעים בספר מלכים שונים במספר פרטים מהתיאור בספר דברי הימים שעל פי הנחת החוקרים מכיל שינויים שהם פרשנות מאוחרת. בספר יחזקאל מופיע תיאור נוסף של המקדש העתיד להיבנות לאחר חזרתם בתשובה, תיאור זה של מקדש אידיאלי בנוי מעירוב בלתי ניתנת להפרדה של מציאות ודמיון.