昭和49年（1974年）から平成13年（2001年）までの、宮城県多賀城跡調査研究所による通算10次に及ぶ発掘調査の結果、桃生城域は東西二郭構造から構成されるとの見解が出された。平成13年（2001年）から始まった三陸自動車道建設に伴う発掘調査では、角山遺跡の丘陵尾根に沿って柵列跡が検出され、この柵列は調査範囲を超えて延びており、桃生城の一番外側の外郭線の一部であったと考えられている。また、細谷B遺跡第2号住居の暗渠には桃生城の瓦が用いられており、同城との直接的な関連が窺われた。これらは小野寺が提唱した太田・飯野全域に及ぶ「広域桃生城説」を裏付ける証左のひとつと考えられる。桃生城の隣接地の調査では、桃生城とされた範囲の東側から土塁（SX03）や大溝（SD02・04・05）が確認され、同城の規模と構造・変遷については今後の課題とされた。桃生城の東に接する新田東遺跡からは、掘立柱建物跡や竪穴住居跡が発見され、これらの中には焼失遺構が含まれていることや、天平宝字8年（764年）に反乱を起こして戦死した藤原仲麻呂（恵美押勝）・藤原朝狩らの菩提を弔うために称徳天皇が発願した百万塔を模して作った「三重小塔」が出土していること、遺跡の東縁辺には二重の土塁状の高まりが認められることから、桃生城の東郭ないしは一部を構成すると考える説が有力となっている。