הר הבית, בראשיתו, היה מתחם מוקף חומה בראש הר המוריה שבתוך שטחו נבנו בית המקדש הראשון ולאחר מכן בית המקדש השני. צורתו הנוכחית כפלטפורמה שטוחה שנועדה לשמש תשתית למבנים המוקמים עליה, עוצבה על ידי המלך הורדוס שהוסיף קירות תמך ענקיים להר ובכך שינה את צורתו המקורית לחלוטין. כיום נראים על הר הבית המורחב מסגד אל־אקצא, המונומנט – כיפת הסלע וכן מספר מבנים, צריחים, מדרסות ומבני הנצחה.
שני המבנים הגדולים והבולטים במתחם, מסגד אל־אקצא וכיפת הסלע, הוקמו בתקופה המוסלמית הראשונה, המאה השביעית לספירה. כמעט כל יתר המבנים המצויים ברחבי הר הבית מקורם בתקופה הממלוכית, במאות ה־13, ה־14 וה־15.
כותלי הר הבית.
מתחם הר הבית כיום הוא מעשה ידיהם של אלפי פועליו של הורדוס שבפרויקט שנמשך שנים הרחיבו את שטח ההר באמצעות הצבת ארבעה קירות תמך עצומים, ששינו לחלוטין את פני ההר המקוריים על ידי הגבהת החלק הדרומי של הר המוריה באופן משמעותי באמצעות מילוי מדרונו הדרומי בעפר שנתמך על ידי קיר התמך הדרומי, והחלק הדרומי של קירות התמך המזרחי והמערבי. בנוסף לכך הרחיב הורדוס את שטח הר הבית גם לצפון ולמערב על ידי בניית קירות תמך בצפון ובמערב, ובחלק הצפוני והדרומי של הכותל המזרחי. את הכותל המזרחי המקורי של הר הבית הותיר הורדוס כפי שהיה, מבלי להרחיב את הר הבית למזרח, ורק הוסיף עליו בחלקו הצפוני והדרומי.
כיום עומדים על תילם הכותל המזרחי, הדרומי והמערבי של מתחם זה, ואילו הכותל הצפוני לא שרד בשלמותו.
הכותל המערבי.
הכותל המערבי הוא המפורסם שבין כותלי מתחם הר הבית כיום. המסורת העממית מתייחסת לכותל המערבי ככותלו של בית המקדש, ומייחסת לו את המאמר המפורסם של חז"ל במדרש שיר השירים: . עם זאת, על פי המחקר מדובר בקיר תמך של רחבת הר הבית ההרודיאני, כך שהכותל המערבי אף אינו כותלו של הר הבית המקודש שאליו התייחסו חז"ל, שקדם להרחבה של הורדוס (ראה למעלה).
הכותל המערבי משתרע לאורך כ־488 מטרים. גובהו המקורי היה על פי המשוער כ־30 מטרים מעל מפלס הרחוב בימי בית המקדש השני, אולם עם השנים נוספו בו נדבכים נוספים בתקופה האומיית, המוסלמית ואף הבריטית. החלק המוכר ביותר של הכותל המערבי הוא רחבת הכותל המערבי בה מתנשא הכותל לגובה של 15 מטרים, כאשר כ־8 מהם (7 הנדבכים הראשונים) הם בנייה מקורית מימי שלהי הבית השני.
בכותל המערבי היו ארבעה שערים שדרכם ניתן היה להיכנס להר הבית בתקופת שלהי בית המקדש השני, לאחר הרחבתו של הורדוס:
בנוסף לכך, כיום ישנם שערים נוספים בכותל המערבי, שדרכם ניתן להיכנס להר הבית, השער הדרומי הוא שער המוגרבים, שמשמעותו 'שער המערביים' שהוא כינוי לבני צפון אפריקה המרוקאים שהתגוררו בשכונה הסמוכה לו. וכן משום שדרכו נכנסים להר הבית הבאים ממערב הארץ. דרך שער זה נכנסים כיום יהודים ותיירים העולים להר הבית. השער השני מדרום הוא שער השלשלת (שער דוד), אשר בנוי על גבי שרידיו של השער אליו הובילה קשת וילסון. לאחר מכן, מדרום לצפון: שער הטהרה, שער מוכרי הכותנה, שער הברזל, שער המשגיח, שער הסאריה ושער בני עו'אנימה.
מלבד זאת, לצפונה של רחבת הכותל המערבי, בסמוך לשער הברזל, ישנה רחבת קטנה יותר עם גישה לכותל המערבי, המכונה הכותל הקטן.
הכותל הדרומי.
הכותל הדרומי הוא אמנם כותלו הדרומי של הר הבית לאחר הרחבת הורדוס, אולם למעשה, בחלקו המזרחי הוא מהווה גם חלק מהכותל הדרומי של העיר העתיקה כולה. ניתן לראות שהנדבכים התחתונים של הכותל הדרומי הם בעלי סיתות שוליים הרודיאני אופייני המוכר מאבני הכותל המערבי. בפינה הדרום מזרחית של החומה השתמרו כ־30 נדבכים הרודיאנים היורדים עד לסלע האם. אורכו של הכותל הדרומי כ־280 מטרים.
שערי חולדה.
בכותל נמצאו שרידים של שער משולש ('השער המשולש') ושער כפול ('השער הכפול', מוסתר ברובו על ידי מבנה צלבני). אף על פי שהשערים הנוכחיים מאוחרים לתקופת הורדוס (אומאים) משוער כי הם נמצאים במקומם של שערים מסוף תקופת בית המקדש השני. השם המקובל, שערי חולדה, לקוח מהמשנה במסכת מידות. מתוך השערים היה צורך לעלות מתחת לאדמה עד ההגעה לרחבת הר הבית. בקצהו המזרחי של הכותל נמצא שער יחיד, מהתקופה הצלבנית. כיום, כל השערים סתומים.
הכותל הדרומי ורחבתו כלולים בחפירות הארכאולוגיות שביצע בנימין מזר לאחר מלחמת ששת הימים, והיום נמצאים בשטח הגן הארכאולוגי ירושלים.
הכותל המזרחי.
אורכו הכולל של הכותל המזרחי הוא כ־452 מטרים, אולם למעשה הוא מורכב משני חלקים המתוארכים לשתי תקופות שונות. מרכזו של הכותל המזרחי, מ־32 מטרים מהנקודה הדרום מזרחית של הכותל ועד כ־300 מטרים צפונה משם, בנוי בסגנון בנייה המתוארך לתקופת החשמונאים. ואילו 32 המטרים הדרומיים ו־120 המטרים הצפוניים של הכותל המזרחי בנויים בסגנון בנייה המיוחס, על פי רובם הגדול של החוקרים, לתקופת הורדוס, בדומה למבנה שעל מערת המכפלה, שמיוחס גם הוא להורדוס. מקום חיבור שני סגנונות הבנייה, בחלקו הצפוני והדרומי של הכותל, מכונה 'התפר'.
הכותל המזרחי מהווה גם חלק מהקטע המזרחי של חומת העיר העתיקה, אותה שילב סולטאן סולימאן בעת בנייתה עם שרידי החומה העתיקה של הר הבית.
שער הרחמים.
בחלקו הצפוני של הכותל המזרחי מצוי שער כפול אטום לכניסה המכונים 'שער הרחמים', שמלבד היותם שערי כניסה להר הבית, הם נכללים בשמונת שערי חומת העיר העתיקה. שמו של הפתח הצפוני שער התשובה ושל הדרומי שער הרחמים. שער הרחמים היה היחיד מבין שערי חומת ירושלים שמוביל ישירות להר הבית.
שער שושן.
על פי הנאמר במשנה, בתקופת בית המקדש השני היה בכותל המזרחי של הר הבית שער כניסה שנקרא 'שער שושן' על שם עיר הבירה של מלכות פרס שאישרה את בניית בית המקדש השני. על פי התלמוד הבבלי, שער זה היה מכוון כנגד קדש הקדשים. רבי אשתורי הפרחי זיהה שער זה בשליש הדרומי של הכותל המזרחי. בפועל, כיום לא קיים זיהוי מבוסס כלשהו לשער זה בכותל המזרחי. יש הטוענים ששרידי השער כוסו במתכוון על ידי אחד הקברות של בית הקברות המוסלמי הצמוד לכותל המזרחי.
חקר הר הבית.
אף שניתן להקדים את ההתייחסות לחקר הר הבית לרבנים שעסקו בנושא זיהוי מקום המקדש, ובראשם רבי אשתורי הפרחי במאה ה־14, והרדב"ז במאה ה־16. הרי שהם דנו בשאלות הלכתיות, והעניין הכמו־מדעי נדחק לפינה. תחילתו של החקר המדעי של הר הבית נעוצה במאה ה־19.
המאה ה־19.
האירופאי הראשון שהצליח לחדור להר הבית, לערוך מדידות ולפרסמן, היה הנוסע עלי ביי אל־עבאסי, שנולד בשם דומינגו באדיה אי לבליץ', אך התחזה לערבי ומוסלמי מלידה, והגיע למקום ב־1807. ספרו פורסם בשנת 1816.
בשלהי התקופה העות'מאנית, במחצית השנייה של המאה ה־19, התיר לראשונה הווקף המוסלמי ביצוע עבודות חקר ומיפוי בהר הבית בידי חוקרים אירופאיים. בהם היו צ'ארלס וילסון, צ'ארלס וורן, פירוטי ואחרים.
תרומה מיוחדת לחקר הר הבית ניתנה בסוף המאה ה־19 על ידי קונרד שיק, שהיה מיסיונר גרמני תושב ירושלים שפעל בה רבות כארכאולוג וכאדריכל מטעם העירייה. מתוקף תפקידו זכה לאמונו של הווקף וקיבל גישה חופשית למתחם הר הבית על מסגדיו, מרתפיו ומחילותיו, וערך רישום ומיפוי קפדני של האתר. לבקשת הווקף בנה דגם עץ של הר הבית ומבניו לצורך הצגתו בתערוכה בינלאומית, ובהמשך יצר דגמים רבים נוספים של המתחם, הן במתכונתו דאז והן במראהו כבימי בית המקדש. שיק סלל את הדרך לחוקרים אירופיים נוספים, כצ'ארלס וורן הבריטי ופליסיאן דה סוסי הצרפתי, לערוך בדיקות ולמפות את החלקים התת־קרקעיים בהר, אם כי זכות החפירה בהר עצמו נשללה מהם.
המאה ה־20.
הראשון שזכה לערוך "חפירה ארכאולוגית" במתחם ההר עצמו היה שודד העתיקות מונטגיו פארקר, שיצא לחפש את אוצרותיו הגנוזים של שלמה המלך, ובעזרת שוחד שפיזר לאישים שונים, הצליח לחפור בהר הבית במשך תשעה ימים, בטרם התגלה. הוא נאלץ לברוח בעוד המון זועם דולק בעקבותיו, ועוד באותו יום עלה על ספינה ביפו. לא ידוע מה היו תגליותיו ומה לקח עמו.
בשנות השלושים של המאה העשרים התרחשה רעידת אדמה קשה בירושלים שהרסה מבנים אחדים בהר הבית, ובהם גם את מסגד אל־אקצא. בעקבות רעש זה נערכו שיפוצים נרחבים במבנה וביסודותיו. ראש מחלקת העתיקות המנדטורית, רוברט המילטון, הצליח להגיע להסכם כלשהו עם הווקף על כך שיינתן לו לערוך מספר חתכים ברצפת המסגד ולתעד את שאר הבורות שנחפרו במסגרת השיפוצים. בחפירות אלו התבררו מספר עניינים הקשורים בסטרטיגרפיה של המבנה, ונאספו חלקים הקשורים במבני המסגד השונים. אלה מוצגים במוזיאון רוקפלר. כמו כן, בתיעוד הבורות שחפר קבלן הווקף נתגלו שרידים ארכיטקטוניים שונים באתרם שלא פורסמו, ותיעוד אודותם נשאר רק בארכיון המחלקה המנדטורית. יצחק דבירה (צויג) פרסם ממצאים אלו בשנת 2008 (צויג 2008), ובהם כלולים: רצפת פסיפס ביזנטית מתחת לרצפת המסגד, מקווה טהרה מימי הבית השני מתחת לחזית המסגד, מבני קמרונות (ככל הנראה מתקופת הבית השני) היושבים מתחת למסגד, מנהרת סתרים חצובה בסלע אשר פיתחה מצוי בחלל השער הכפול ויורדת במקביל לכותל הדרומי, ועוד.
חפירה נוספת נערכה ב־1947 על ידי ק' ג'ונס אשר חפר חתך קטן בסמוך למדרגות העולות לרחבה המוגבהת ממזרח. בחפירה זו לא נתגלו שרידים קדומים.