ları altında kalmadan önce Fırat'ın bir kolu olan Kantara Deresi'nin iki yanında yer almaktaydı. Dere höyüğü ikiye bölmüş durumdadır. Yerleşme, derenin doğu yakasında 90 X 40 metre boyutlarında, batı yakasında ise daha küçük bir alandır. Bu yerleşmelerden büyük olanı (doğu) Nevali Çori I, batı taraftaki ise Nevali Çori II olarak adlandırılmaktadır. Yerleşmenin arkeolojik olarak en önemli tabakaları, beş yapı katı olarak izlenen, Nevali Çori I olarak tanımlanan kesimdeki Çanak Çömleksiz Neolitik Çağ tabakalarıdır. Bu tabakalarda yürütülen kazı çalışmaları ve buluntular üzerinde yapılan analizler, Nevali Çori neolitik halkının esas olarak avcı - toplayıcı yaşam tarzını sürdürmekle birlikte, tarım ve hayvancılık yaptığını ortaya koymaktadır. Ortaya çıkarılan mimari kalıntılar ise Orta Fırat Havzası'nın Erken Neolitiği hakkında önemli bilgiler vermiştir. Özellikle, Göbekli Tepe, Urfa – Yeni Mahalle, Karahan, Sefer Tepe, Hamzan Tepe ve Taşlı Tepe gibi arkeolojik alanlarda benzerleri görülen T biçimli sütunların yer aldığı kült binası önemli bir keşif olmuştur.

Höyük, 1980 yılında Hans Georg Gebel başkanlığındaki bir ekibin bölgedeki yüzey araştırmaları sırasında bulunmuştur. Heidelberg Üniversitesi ve Şanlıurfa Müzesi işbirliğiyle, müze müdürü Adnan Mısır başkanlığında, Prof. Harald Hauptmann bilimsel danışmanlığında 1983, 1985 -1987 yıllarında küçük ölçekte sondajlar olarak ve 1989 -1991 yılları arasında ise daha geniş çapta kazılmıştır. İlk etapda derenin doğu yakasındaki Nevali Çori I olarak adlandırılan kesimde kazı yapılmış, 2 metre kalınlıktaki kültür dolgusu geçilerek ana toprağa kadar inilmiş, daha sonra diğer taraftaki Nevali Çori II yerleşmesi kazılmıştır.

Yerleşmede yukarında aşağıya (yeniden eskiye), Roma İmparatorluğu, Erken Tunç Çağı I. evre, Bakır Çağı (Halaf) ve Çanak Çömleksiz Neolitik Çağ yapı katları bulunmuştur. Çanak Çömleksiz Neolitik Çağ yerleşimi, Nevali Çori I'de 5, Nevali Çori II'de 2 kattır. İki yerleşmede de yapı planları tümüyle aynıdır. Nevali Çori I'in III. Tabakası, iki alt evre olarak IIIA ve IIIB olarak tanımlanır. 
Kazı başkanı tarafından MÖ 3.000 – 2.800 yıllarına tarihlenen Erken Tunç Çağı I tabakasında teraslama tekniğiyle, iki yapım evresinde çok odalı bir yapı açığa çıkarılmıştır. Yapının büyük odası 4,30 x 3,16 metre boyutlarındadır. Genişliği 1,50 metre olan ön odasında taş bir sanduka içinde hocker pozisyonunda bir gömüt bulunmuştur. Gömüt armağanı yoktur. Diğer odalar günümüze ulaşmamış olup bir kil seki, ocak yeri ve tabanı taş döşeli yuvarlak bir ateş yeri vardır. Bu tabakada iki tane daha taş sanduka mezar bulunmuştur. Bu gömütlerde kötü korunmuş kadın kemikleri vardır. Gömüt armağanı olarak açık renkli bir kap, iki kırmızı kupa, bronzdan süs eşyaları ile siyah ve beyaz taşlardan bir kolye bulunmuştur. Bu tabakadaki tüm buluntular, Hassek Höyük ve Kurban Höyük buluntularına yakın benzerlik göstermektedir.

Halaf Dönemi tabakası olan bu tabakada bir yapı kompleksi ortaya çıkarılmıştır. İki yuvarlak oda ve bunları birleştiren uzunluğu 13 metre olan koridor şeklindeki üçüncü bir odadan oluşmaktadır. Odalardan biri 5,20 metre çapındadır. Bu döneme ait yeni bir yapı tipi olarak değerlendirilmektedir. Bu yapı kompleksinde bulunan Çavi Tarlası Halaf tabakaları buluntularıyla benzerdir.
Neolitik Çağ'a tarihlenen yapı katlarında kullanılan yapı malzemesi esas olarak kireç taşı ve harç olarak çamurdur. Kazılarda saptanan yapıların sayısı 29'dur. Mimari olarak dikdörtgen, kare ve yuvarlak olmak üzere üç farklı yapı planı görülmektedir. Beş tabakada da en yaygın yapı planı dikdörtgendir. Yuvarlak yapılar II. ve IIIA tabakalarda birer tanedir. Günümüze sadece direk çukurları ve çakıl döşeli tabanlar kalmıştır. Bu yapılarda taş ya da kerpiç kullanılmadığı düşünülmektedir. Ancak yine de işlevlerini anlamak için yeterli veri yoktur. Neolitik Nevali Çori'de taş aletlerin çoğunlukla açık alanlarda bulunması dikkate alınarak, günlük işlerin açık alanlarda yapıldığı düşünülmekte, açık alanlarda konumlanan yuvarlak yapıların da işlik olarak kullanıldığı ileri sürülmektedir. Kare planlı tek bir yapı gün ışığına çıkarılmıştır. Bu yapı, açık olarak dikdörtgen ve yuvarlak yapılardan hem plan, hem boyut, hem de iç düzenlemeleri, banklar ve dikilitaşlarla farklılık göstermektedir. Söz konusu yapının işlev olarak diğer yapılardan farklı olduğu iç düzenlemelerinden de çok açıkça anlaşılmaktadır. Bu nedenle "Kült Yapısı" olarak adlandırılmaktadır.

Konut olarak yapıldığı anlaşılan dikdörtgen planlı, birbirinden bağımsız yapıların tabanları altında kanallar bulunmaktadır. Yapımlarında ilginç bir teknik uygulanmıştır. İri dikdörtgen taş bloklar, aralarında boşluk bırakılarak bir temel oluşturulmuştur. Ardından bu boşlukların üstünü örtmek için taş plakalar döşenmiştir. Ev bu tabanın üstüne inşa edilmiştir. Odaların tabanına kırık taş döşendikten sonra çamurla sıvanmıştır. Çamur sıvama, duvarlarda da devam ettirilmiştir. Dış duvarların kalınlığı 30 – 60 cm. arasında değişmektedir. Örnek olarak, 26 no'lu yapının tabanında altı taş blok kullanılarak yaklaşık 30 cm. genişlikte beş kanal oluşturulmuştur. Dış duvarların sıvası yapılırken de kanalların girişi sıvanmamış, açık bırakılmıştır. Böylece yapının tabanı nemlenmeye karşı korunmuş oluyordu. Muhtemelen kanallı temel yapmak da bu amaca hizmet ediyordu. Çünkü konutlarda, günlük yaşamın sürdürüldüğü bölümler yanında kiler olarak kullanılan bölümler de vardır.

Neolitiğin I. Tabakası'nda yedi yapı belirlenmiştir. Bunlardan 27 no'lu dışında diğerleri kısmen kazılmıştır. İki yapı, 25 ve 21A yapıları tümüyle gün ışığına çıkarılmıştır. II. Tabaka'da da yedi yapı saptanmıştır. III. Tabaka ise en çok yapının ortaya çıkarıldığı tabakadır. İki evrede toplam on yapı vardır. IV. Tabaka'da üç, V. Tabaka'da bir ev belirlenmiştir. Ancak bu yapı diğer yapı katlarındaki gibi temeli kanallı değildir. Genel olarak çatıları ahşap, saz ve kil kullanılarak düz yapıldığı ileri sürülmektedir.

Konutların mimarisine örnek olmak üzere, III. Tabakaya ait 2 no'lu yapı, 16 x 6,80 metre boyutlarındadır. Yan yana üç odadan oluşmaktadır. Büyük taşlar kullanılarak yapılan temeli 7 kanalla, 8 bölmeye ayrılmıştır. Bu yapıdan 4 metre mesafedeki 6 no'lu yapının boyutları 12 x 5,90 metredir. Altı odalı bir yapıdır. Her iki yapının da temel içinde bazen sadece kafa, bazen de sadece uzun kemiklerin konulduğu gömütler bulunmuştur. Üçüncü Tabaka'daki 7 no'lu yapı da 2 no'lu yapı gibi sıraya dizilmiş üç odadan oluşmaktadır. Boyutları 14 x 6,10 metredir. Bu yapıda temel on bölme görülmektedir. 4. Tabaka'nın bir yapısı olan 6 no'lu yapı ise 12,60 x 4,40 metre boyutlarındadır. İki sırada üçer odadan oluşmaktadır. 22 no'lu yapı ise 8,40 metre genişlikteki bir ön oda ile sıra halinde üç hücreden oluşmaktadır ve depo olarak kullanıldığı, dikdörtgen planlı yapılarda bir istisna olduğu düşünülmektedir. Bir diğer istisna işlik olarak kullanıldığı ileri sürülen bir yapıdır.

"Dikilitaş Binası" olarak da adlandırılan yapı kazılarda ortaya çıkarılan 29 yapı içinde kare plan gösteren tek yapı olup 14 x 14 metre boyutlarındadır. Yerleşmenin neolitik tabakalarında açığa çıkarılan diğer tüm yapılardan hem plan bakımından, hem de boyutları, iç düzenlemesi ve konumu olarak belirgin biçimde farklılık göstermektedir. Konum olarak diğer yapıların dışında, konutların dışında, yerleşimin batı ucunda inşa edilmiştir. Zaten, Güneydoğu Anadolu Bölgesi'nde kült yapıların konut alanının dışında inşa edilmesi, Çanak Çömleksiz Neolitik'in B evresi başlarından itibaren genel bir eğilim haline gelmiştir. Diğer yandan bu tabakalarda ele geçen heykellerden biri hariç diğer tümü bu yapıda bulunmuştur. Sonuç olarak diğer yapılardan işlev yönünden, net olarak belirlenmiş bir biçimde farklıdır. Yapının, belirtilen nitelikleri ve bölgedeki diğer yerleşimlerdeki benzer özellikler gösteren yapılar dikkate alınarak, bir "tapınak" olarak kullanıldığı anlaşılmaktadır.

Aynı bina yenilenerek üç tabaka boyunca kullanılmıştır. Kayıtlara I. Tabaka'da 13A, II. Tabaka'da 13B ve IIIA Tabaka'da 13C olarak geçirilmiştir. Binanın iki yapı evresi olduğu anlaşılmaktadır. İkinci evre, ilk evrenin, I. Tabaka'daki 13A yapısının yenilenmesi olup bazı yapı elemanlarının yeniden kullanıldığı anlaşılmaktadır. Eski evreye ait tepeleri kuş başı şeklinde biten iki dikilitaş ve heykel parçaları vardır. Heykellerden biri gerçek ölçüde bir insan başı heykelidir. Yüz kısmı tahrip olmuştur. Saçsız başın üstünde kabartma halinde bir yılan başı bulunur. Yılanın gövdesi ise başın arkasından dolanıp enseye doğru inmektedir. Yapı, ilk iki tabakada tam olarak aynı konumdayken III. Tabaka'da yeniden inşa edilirken bir ölçüde sağa kaymış, bunun sonucunda kapladığı alan 188 metrekareden 178 metrekareye düşmüştür.

Binayı çevreleyen duvarların iç tarafı boyunca büyük yassı taşlarla yapılmış bir seki vardır. Genişliği üç tarafta 1 metre, girişin bulunduğu duvarda ise 2,30 – 2,50 metredir. Seki üzerine belirli aralıklarla dikilmiş 12 dikilitaş bulunmaktadır. Dikilitaşlar arasındaki açıklık 2,30 – 2,40 metre arasında değişmektedir. Bu dikilitaşlardan ikisi güneye bakan merdivenli girişin hemen iki yanında yer almaktadır. Böylece sütunlu bir giriş sağlandığı düşünülmektedir. Taban, sekiden 0,80 metre aşağıda, oldukça iyi korunmuş, Çayönü ve Göbekli Tepe kült yapılarından da bilinen, sönmüş kireç kullanılarak terrazzo tekniğiyle yapılmış, 7,50 x 8,00 metre boyutlarında bir zemindir. Taban boyunca, düzenlenen ritüellerde sıvı bir şeylerin akmasına olanak sağlamak için yapıldığı düşünülen dar kanallar vardır. Orta kısmında iki dikilitaş daha bulunur. II. Tabaka'nın 13B yapısında bunlardan biri sağlam olarak günümüze ulaşmıştır. Bu dikilitaşın yüksekliği 2,35 metre olarak ölçülmüştür. Her iki geniş yanında aşağıya doğru belirli bir eğim göstererek devam eden iki insan kolu kabartması yer alır. Bunlar dar yüze bükülerek elleri oluşturur. Buna göre bu dikilitaşların Göbekli Tepe'deki gibi stelize insan heykelleri olduğu ileri sürülmektedir. Bu dikilitaşlar üzerinde stilize insan f