Ab 1806 setzten erste kleinere Ausgrabungen des Tempels ein, in großen Teilen freigelegt wurde er 1829 durch die französische Expédition scientifique de Morée. Systematische Untersuchungen des Zeustempels begannen aber erst mit Beginn der deutschen Ausgrabungen in Olympia im Jahre 1875, die zunächst bis 1881 dauerten. Zwischen 1906 und 1909 versuchte Wilhelm Dörpfeld durch weitere Nachgrabungen Probleme der Datierung zu klären, was ihm jedoch nicht gelang, so dass er in den Jahren 1921–1923 und 1927/28 neue Anstrengungen unternahm. Doch erst zu Beginn der 1940er Jahre, vor allem aber von 1952 bis 1966 konnten durch Einzelbeobachtungen und Untersuchungen etwa zu Proportion und Entwurf oder zu einzelnen Baugliedern wie den Löwenkopfwasserspeiern neue Erkenntnisse zu Architektur und Stellung des Zeustempels gewonnen werden.