קיימות שתי תאוריות ארכיטקטוניות לגבי מקדש שלמה, אחת כמבנה בן שלושה חלקים - האולם, ההיכל והדביר (קודש הקודשים). המחקר המודרני מתייחס לחלוקה זו כפונקציונלית וללא השפעה ישירה על תכנון החיצוני של מבנה הבית, האולם שימש כרחבת כניסה בפתח בית המקדש והדביר כמבנה עץ - יחידת משנה שנבנתה בתוך הבית.
המידות של בית המקדש הן שישים אמה לאורך ועשרים אמה לרוחב וגובהו 30 אמה, מידות אלו נחשבות למידות פנימיות - ללא חישוב עובי הקירות. צורתו הכללית של המקדש היא מלבן שצירו המרכזי לאורך הבניין והכניסה למבנה נעשתה מהצלע הצרה של המלבן, תוכנית זו תואמת סכימה של מבנים הידועה כבתי אורך והיו נפוצים באזור הלבנט הקדום. אולם המבנה הבסיסי כבניין מלבני דומה למגרון - סגנון בנייה האופייני למספר מקדשים בסוריה - באבלה ובעין דרה, דמיון זה יוצר קשר סגנוני למקדש שלמה ומעלים סברה כי מקדשים סוריים שימשו כמקור ארכיטקטוני לבית המקדש, ייתכן כי לתוך דגם זה שולב דביר עשוי עץ בהשפעת מסורת המשכן שהיה עשוי עץ ושימש מבנה פולחני לפני בניית בית המקדש.
עד 2011 נחשפו בארץ ישראל - באתרים מתקופת הברזל - חדרי פולחן קטנים ובהם חפצים שונים שזיקתם לפולחן איננה ברורה, מקדשים אלו שהדוגמאות הבולטות להן נמצאו בחפירות תל ערד ובמוצא ששימש מבנה פולחן במקביל לעבודת האלוהים במקדש שלמה אך הבדלים משמעותיים בתוכנית המבנה מבדילים מקדש זה ואחרים ממקדש שלמה. ייתכן שסיבה אחת להבדלים הוא הצורך בהדגשת ייחודו של בית המקדש ממקומות פולחן אחרים. מגמה זו שהתגברה ביתר שאת לקראת סוף תקופת בית ראשון הביאה - ככל הנראה - לביטול הפולחן במקדשים בתל ערד ובבאר שבע.
לראשונה ב-2011 נחשף בחפירות ארכאולוגיות במבצר האלה, כלי פולחן - דגם מוקטן ומפורט של מבנה בית מקדש חצוב באבן שתוארך לראשית המאה ה-10 לפנה"ס, תקופת ממלכת ישראל המאוחדת. דגם המקדש כולל מאפיינים ארכיטקטוניים שזוהו על ידי הארכאולוג יוסף גרפינקל כתואמים את תיאור מקדש שלמה בספר מלכים.
המקדש שנחשף בתל דן מזוהה עם המקדש המתואר במקרא שנבנה על ידי ירבעם בן נבט במאה ה-10 לפנה"ס. במקום נמצאו שרידים מועטים שקדמו לימיו של ירבעם, אך לא ניתן היה לזהות את המקדש שהקימו בני שבט דן עם כיבוש העיר. תוכניתו הייתה דומה, ככל הנראה, לזו של בית המקדש הראשון בירושלים, על־מנת שישמש תחליף ראוי לעשרת שבטי ישראל שהתפצלו מממלכת יהודה. במקום נמצאו עצמות של חיות כשרות, ומספר חוקרים גורסים כי אלו הן עצמות של קורבנות שהועלו על המזבח. מזבח זה בנוי כפי שצווה בתורה - מאבני גוויל בעלות חורים לניקוז דם הקורבן. סמוך למזבח נמצאו מחתות וקערת נחושת - כלים פולחניים שהיו בשימוש גם בהיכל בית מקדש בירושלים.
שני חומרי הבניין העיקריים של בית המקדש הם אבן ששימשה לבנין הקירות, על מנת להבטיח יציבות המבנה בעיקר לאור גובהו - כ-15 מטר נבנו קירות עבים מאוד (בין 2 ל-3 מטר על פי יחזקאל). קירות דומים נחשפו במקדשים בתל מגידו ובשכם, האבנים נחצבו וסותתו במחצבות והוסעו אל אתר הבנייה. עצי הבניין היו משלושה סוגים שונים: ארזים שציפו את הקירות והרצפה, ברושים שציפו את הרצפה ועץ שמן לדלתות.
בחפירות הכותל הדרומי, הרובע היהודי ועיר דוד נמצאו כלים ומבנים מתקופת בית המקדש הראשון, אך ללא זיקה מובהקת למקדש. בשנת 1999 ערך הווקף המוסלמי חפירה רחבת שטח באזור הדרומי-מזרחי של הר הבית והוציא משם אלפים אחדים של מ"ק עפר ושפך אותם לנחל קדרון. את העפר הזה מסננים תחת השרביט של דר' גבי ברקאי וצחי צוויג. בעת תהליך הסינון נתגלו ממצאים רבים שיכולים להתפרש כעדות עקיפה לקיומו של מקדש זה, ביניהם בולה עם הכתוב [גא]ליהו [בן] אמר, ממשפחת כהנים שאחד מבניה מוזכר בספר ירמיהו כ"פקיד נגיד בבית ה'", וכן ראש חץ סקיתו-איראני, שהיה בשימוש צבאות נבוכדנצר.
מפעלי מים.
מפעלי אספקת המים לירושלים בתקופה הכנענית ולאחר מכן בתקופת בית ראשון הם השרידים המרשימים ביותר שנותרו בירושלים מהתקופה ובבחינת הגלוי המעיד על הנסתר - במקרה זה מבני הפאר של ירושלים שאבדו לשיני הזמן. מפעלים אלו מעידים על המאמצים הבלתי פוסקים של שליטי ירושלים להבטיח אספקת מים סדירה לעיר ותושביה.
בריכות מים.
עוד מקדמת דנא היו נחצבים בירושלים בורות מים ונעשה שימוש נרחב במתקני אגירה, אך בחפירות הארכאולוגיות בירושלים לא נמצאו בורות מתקופת בית ראשון. בריכות אגירה ציבוריות נזכרות במקרא: בספרי מלכים וישעיהו מוזכרות הבריכה העליונה, הבריכה התחתונה והבריכה הישנה, שלוש בריכות נוספות נזכרות בספר נחמיה. זיהוי בריכות אלו נתון עדיין להשערות וויכוחים בין חוקרים ויש טענות כי חלק מהשמות הם שמות נרדפים לבריכה אחת. גם בריכת השילוח היא בריכה הבנויה על שרידים רומאיים ואין כל ביטחון כי במקום הייתה בריכה בתקופת בית ראשון ואכן יש השערה כי במוצא נקבת חזקיהו הייתה נקודת גישה שאיפשרה שאיבת מים.
ברכת אל חמרה, שבקצה התחתון של הגיא המרכזי מזוהה על דעת רוב החוקרים עם הבריכה התחתונה וככל הנראה אספה מי גשמים מהעמק וממדרון הגבעה המערבית וחלק ממי הגיחון שהגיעו מנקבת חזקיהו ותעלת השילוח. הבריכה היא מבנה מלאכותי שנוצרה על יד סכירת הגיא המרכזי במקום חיבורו עם נחל קדרון. הסכר בנוי משני קירות מקבילים. אף על פי שהקירות נחפרו מספר פעמים עדיין לא ברור מתי נבנו, אך ההנחה היא כי הבריכה הרוותה את צמאון תושבי ירושלים כבר בימי בית ראשון.
בריכות הצאן שנחפרו באפיקו של נחל בית זיתא בירושלים. מיקומן היום הוא באזור החומה הצפון מזרחית של העיר העתיקה. במאה ה-8 לפנה"ס נבנה באתר בור מים לסיפוק מים למקדש. ייתכן שמקורו של בור המים הוא באגירת מי גשמים ושיטפונות שנותבו אל אזור העמק ונעצרו על ידי סכר. מאוחר יותר נבנה במקום סכר ברוחב של 6 מטרים. מן הבריכה המלאכותית, בגודל של 40x50 מ' הובלו המים בתעלות לבית המקדש. ייתכן כי זו הבריכה העליונה המוזכרת בספר מלכים בשם "הבריכה העליונה".
פיר וורן.
שלושת מפעלי המים העיקריים של ירושלים קשורים לאספקת המים ממעיין הגיחון. הקדום במפעלים אלו קרוי על שם החוקר שגילה אותו צ'ארלס וורן, המערכת נחקרה מספר פעמים על ידי מספר משלחות חקירה שעזרו לשפוך אור על דרך חציבתה והשימוש שנעשה בה. מערכת פיר וורן נחצבה על מנת לאפשר שאיבת מים ממעיין הגיחון מבלי שתושבי העיר יצטרכו לצאת מחוץ לחומות ירושלים, המפעל אכן איפשר שאיבה ניסתרת של מים אך לא הצליח להסתיר את המעיין מאחר שעודף מי המעיין המשיך לזרום מנקודת הנביעה. אחת ההנחות היא שהמערכת הקדומה התפתחה מחללים טבעיים שנוצרו בתהליך המסה קרסטית, חללים אלו שהיו מוכרים לתושבי העיר נחפרו בתקופה על ידי שימוש בפטיש ואזמל והורחבו ככל הנראה בתקופת הברונזה התיכונה, עובדה זו נקשרה למילה צנור המוזכרת בספר שמואל
והועלתה הסברה כי לוחמי דוד המלך עלו בפיר וורן ונכנסו אל תוך ירושלים מבלי לפרוץ את החומות. המתנגדים לסברה זו מצביעים על הנחה נגדית לפיה בתקופת הברזל היה שטח העיר מצומצם והתמקד בפסגת עיר דוד ממערב לפתח המערכת כלומר לא איפשר חדירה לעיר, הנחה נוספת היא שהמערכת נחפרה בתחילת ימי הממלכה המאוחדת וסיפור כיבוש העיר דרך מערכת המים מהווה אדפטציה של אגדה למציאות קיימת.
חפירות שנערכו בעשור הראשון למאה ה-21 על ידי החופרים אלי שוקרון ורוני רייך חשפו סדרת ביצורים
מאסיבית שהגנה על מעיין הגיחון ופתח מערכת פיר וורן כן נחשפה בריכה חצובה שאגרה את מי המעיין. על פי החוקרים בשלב הראשון של מערכת פיר וורן ירדו תושבי העיר במנהרה עד לבריכה החצובה הגדולה ממנה שאבו את מי המעיין.
תעלת השילוח.
תעלת השילוח הידועה גם כתעלה 2 שימשה להולכת מי העודפים של הגיחון אל בריכת האגירה ובדרכה השקתה חלקות חקלאיות בערוץ הקידרון. אורכה הכללי של התעלה כ-400 מטר ובחלקה היא מקורה בלוחות אבן גדולים אך בנקודות אחרות נחצבה התעלה כמנהרה על ידי שימוש בפירים. בקטע החשוף הראשון שלה התעלה מובילה מהמעיין לאורך 72 מטר המקורה בגושי אבן גדולים, מחקרם של רייך ושוקרון הצביע כי הם חלק מיסודות המגדל הידוע כמגדל המעיין המתוארך לתקופת הברונזה התיכונה, ממצא זה מוביל למסקנה כי התעלה החלה לשמש את תושבי ירושלים בתקופת הברונזה והמשיכה להזרים מים עד שנקבת חזקיהו שהסיטה את מהלך המעיין ייבשה את תעלת השילוח. קטע נוסף של התעלה שאורכו כ-80 מטר נחשף ונחקר על ידי יגאל שילה ונמצאו בו פתחים שכונו "חלונות" ששימשו להטיית מי התעלה לחלקות חקלאיות, מחיצות אבן שנמצאו בסמוך שימשו לוויסות הזרימה בתעלות ההשקיה. הקטע האחרון החשוף של התעלה חצוב כמנהרה ומוביל לבריכת אל חמרה.
נקבת חזקיהו.
נקבת חזקיהו, ידועה גם כנקבת השילוח מובילה את מי הגיחון ממוצאו אל בריכת השילוח שבגיא המרכזי. הנקבה נחצבה על ידי חזקיהו מלך יהודה לפני מצור סנחריב במאה שמינית לפנה"ס, ועם חורבן ירושלים נשכח מעיין הגיחון ונעלם מהעין; עד שהנקבה התגלתה מחדש במאה ה-17, רק באמצע המאה ה-19 החל מחקר יסודי של הנקבה. בנקודת הנביעה של הגיחון נתגלו על ידי מונטגיו פארקר ולואי-איג ונסאן מערכת של ניקרות ותעלות תת-קרקעיות שעל פי ונסן נחצבו כהכנה לחציבת נקבת חזקיהו. נקבת חזקיהו מחוברת לנקודת הנביעה של הגיחון בתעלה שסומנה כתעלה 6, שאר התעלות ומערכת פיר וורן נותקו מהמערכת על ידי קירות וכל נפח נביעת הגיחון הופנה את תוך הנקבה. נקבת חזקיהו שצורתה הכללית היא כצורת האות S נמתחת לאורך 533 מטר וחציבתה שנעשתה על ידי גרזן עובדה והוחלקה מלבד בנקודה אחת - נקודת המפגש חתך הנקרה מלבני ורוחבה 60 ס"מ בממוצע, גובהה משתנה ונע בין 5 מטר בקצה הדרומי ומטר וחצי בקטעים הנמוכים.