Til tross for rikelig med historiske tekstdokumenter om kirken er den eksakte beliggenheten noe usikker. Under Trondheims Gamle Rådhus bygget i 1706 ble det funnet kirkefundamenter som vanligvis blir tolket som Olavskirkens. Området ble gravd ut og nøyaktig dokumentert i forbindelse med utvidelsen av Folkebiblioteket på 1980-tallet. Fundamentene og deler av kirkegården kan sees i Folkebibliotekets bygg. Det er ved Lona, en liten bukt i Nidelva der båter kunne legge til i middelalderen. Bukten eksisterer ikke lenger, men lå øst for der i dag Gamle Rådhus og Folkebiblioteket ligger ved krysset av Kongens gate og Kjøpmannsgata.