โบราณสถานเกือบทั้งหมดที่ค้นพบยังไม่เคยได้รับการขุดค้นศึกษาทางโบราณคดี ขอบเขตของเมืองเชียงรายนั้น ดร. ฮันส์ เพนธ์ สันนิษฐานไว้ว่าเมื่อแรกสถาปนาในสมัยราชวงศ์มังราย มีขนาดไม่ใหญ่นัก มีกำแพงเมืองเก่าเป็นอิฐเพียงบริเวณตีนดอยจอมทองเท่านั้น นอกนั้นเป็นกำแพงดินและอาศัยแม่น้ำกกเป็นคูเมือง

เมืองเชียงรายจากหลักฐานทางโบราณคดี การตั้งถิ่นฐานแรกเริ่ม–สมัยล้านนา โดยเฉพาะในพื้นที่เทศบาลนครเชียงราย พบหลักฐานทางโบราณคดีที่แสดงการตั้งถิ่นฐานของมนุษย์มาเนิ่นนาน โดยในปี พ.ศ. ๒๔๗๔ ศาสตราจารย์ฟริทซ์ สารสิน (Fritz Sarasin) ได้ขุดค้นพบเครื่องมือหินที่ถ้ำพระ เป็นเครื่องมือแบบไซแอเมียน (Siamian) ในยุคหินเก่า แบบเดียวกับที่พบที่แหล่งโบราณคดีบ้านแควน้อย จังหวัดกาญจนบุรี แหล่งโบราณคดีที่บ้านผาหมู อำเภอร้องกวาง จังหวัดแพร่ และแหล่งโบราณคดีในอำเภอจอมทอง จังหวัดเชียงใหม่ พบเศษภาชนะดินเผา และเครื่องมือที่ทำด้วยกระดูกสัตว์ สรุปว่าคนที่อาศัยอยู่นี้เป็นกลุ่มชนล่าสัตว์ ยังไม่รู้จักการเพาะปลูกเลี้ยงสัตว์
 

หลุมขุดค้นทางโบราณคดีในค่ายเม็งรายมหาราช

ส่วนในเอกสารประวัติศาสตร์ พบการกล่าวถึงเมืองเชียงรายในพื้นเมืองเชียงแสน ฉบับรวบรวมและปริวรรตโดย ศาสตราจารย์สรัสวดี อ๋องสกุล ตั้งแต่สมัยตำนานจนถึงสมัยล้านนาและสืบต่อมาจนถึงปัจจุบัน เริ่มจาก ลวจังกราช (พ.ศ.๑๑๘๒-๑๓๐๔) ได้โปรดฯ ให้สร้างเมืองแห่งหนึ่งขึ้นในบริเวณที่พบช้างป่าใหญ่ แล้วเรียกชื่อเมืองแห่งนี้ว่า ‘เวียงเชียงรอย’ ซึ่งภายหลังคำว่าเชียงรอยได้แผลงไปเป็น ‘เชียงราย’

ตำนานยังเล่าอีกว่า ปี พ.ศ. ๑๔๓๘  พญาเรือนแก้วผู้ครองเมืองไชยนารายณ์ทรงสร้างพระธาตุขึ้น บนยอดดอยจอมทองริมฝั่งแม่น้ำกกในเขตตัวเมืองเชียงราย ต่อมาในปี พ.ศ. ๑๕๘๗ ท้าวกีฅำลาน เจ้าเมืองแคว้นกาวได้ยกทัพมารบกับลาวจังกวาเรือนฅำแก้วที่กลางทุ่งเชียงราย ลาวจังกวาเรือนฅำแก้วพ่ายแพ้ ชาวเชียงรายเสียแม่ทัพ เมืองแตก ทิ้งเมืองไป ทำให้เมืองเชียงรายกลายเป็นเมืองร้างไป

จนกระทั่งพญามังราย เสด็จประพาสป่าพร้อมกับบริวาร พบเมืองเชียงรายร้าง ทางใต้ของเวียงเงินยาง มีความพึงพอใจ จึงได้สร้างเมืองขึ้นมาใหม่ และประทับอยู่เมืองเชียงรายนี้ ไม่ได้กลับไปยังเมืองเงินยางอีก โอรสของพระองค์คือ พญาไชยสงครามก็ประทับอยู่ที่เมืองเชียงรายนี้จนสิ้นพระชนม์

หลังจากนั้นบทบาทของเมืองเชียงรายก็ลดน้อยลง กษัตริย์โปรดฯ ให้ขุนนางปกครองเมืองแห่งนี้แทน แต่ยังคงปรากฏเรื่องราวเกี่ยวกับเมืองเชียงรายด้านพุทธศาสนาในสมัยล้านนาอยู่ ดังเช่น ชินกาลมาลี-ปกรณ์

ในรัชสมัยพญาสามฝั่งแกน เกิดฟ้าผ่าองค์เจดีย์วัดป่าเยี้ยะ ได้พบพระแก้วมรกตในองค์เจดีย์นั้น วัดป่าเยี้ยะจึงถูกเรียกว่าว่าวัดพระแก้วตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา จารึกดอยถ้ำพระเป็นหลักฐานแสดงถึงประเพณีการนำพระพุทธรูปไปประดิษฐานไว้ยังถ้ำพระ ในปี พ.ศ. ๒๐๒๗ ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีประเพณีนี้มาตั้งแต่ก่อนหน้านั้น ถ้ำพระจึงเป็นสถานที่ศักดิ์สิทธิ์มาตั้งแต่สมัยล้านนา 

ความก้าวหน้าของการสำรวจและขุดค้นทางโบราณคดีเมืองโบราณเชียงราย ได้มีการดำเนินการเป็นรูปเป็นร่างในทางวิจัยและวิชาการมากขึ้น ในปี พ.ศ. ๒๕๖๐ สำนักศิลปากรที่ ๗ เชียงใหม่ มีโอกาสได้ดำเนินการทางโบราณคดีในพื้นที่มณฑลทหารบกที่ ๓๗ ค่ายเม็งรายมหาราช ทำให้ได้ข้อมูลทางโบราณคดีที่สำคัญของเมืองเชียงรายเพิ่มขึ้น