Nach den anfänglichen Forschungen seit dem 16. Jahrhundert begannen im 19. Jahrhundert schließlich groß angelegte Grabungen. 1848 entdeckte man rund 400 m vom Lager entfernt eine riesige, nur teilweise ergrabene Badeanlage mit einer Front von mindestens 110 m, die anfänglich von Alois Hauser, schließlich nach der Jahrhundertwende von Oberst Max Groller von Mildensee untersucht wurde.
Den Startschuss für systematische, von einer Institution getragene Ausgrabungen gaben die 1852 zufällig bei Sprengarbeiten im Steinbruch Bad Deutsch-Altenburg aufgefundenen Reste eines Mithrasheiligtums (Mithräum I „Am Stein“). Die Meldung über diesen überraschenden Fund ging nach Wien an die kaiserliche Akademie der Wissenschaften, die Eduard Freiherr von Sacken mit der Untersuchung beauftragte. Dieser hatte allerdings umfangreiche Verpflichtungen an der k.k. Akademie der bildenden Künste, der Universität und im Münzkabinett. Daher war er persönlich kaum in die tatsächlichen Grabungen eingebunden, sondern stand ihnen lediglich als Leiter vor. Der anfängliche Mangel an geschultem Fachpersonal wandelte sich in den 1870er Jahren als Kapazitäten wie Otto Benndorf, Friedrich von Kenner, Josef Hilarius Nowalski de Lilia und Otto Hirschfeld sich der Bearbeitung der Carnuntiner Funde annahmen.
Nowalski de Lilia bei der Fundbearbeitung, Bild aus wikicommons
1877 ging die Leitung der Ausgrabungen an die k.k. Centralkommission, welche mit Alois Hauser die Ausgrabungen im Bereich des Legionslagers vorantrieb. Dem steigenden Interesse an der Erforschung Carnuntums wurde mit der Gründung des „Vereins Carnuntum“ 1884 Rechnung getragen, wobei Kronprinz Rudolf das Protektorat übernahm und somit kaiserliches Interesse an der Carnuntumforschung bekundete.
In einer Mulde östlich des Lagers vermutete man ein Amphitheater (Amphitheater I. der Militärstadt), welches zwischen 1888 und 1890 ergraben wurde. Dieses Unterfangen war ein besonderes diplomatisches Geschick, denn die Ackerparzellen gehörten vielen verschiedenen Grundeigentümern, die zur Freigabe ihrer Felder überredet werden mussten. Schließlich kaufte der Niederösterreichische Landtag die Gründe und sicherte die Präsentation des Amphitheaters für die Öffentlichkeit.
Im sogenannten Tiergarten südlich des Schlosses Petronell legte Josef Dell 1892 ein ca. 8.600 m2 großes Gebiet der Zivilstadt frei, darunter ein Heiligtum für Silvanus und die Quadriviae. 1896 begann er Untersuchungen an der sogenannten Palastruine (Große Thermen beim Forum). Beide Grabungsstätten blieben leider unpubliziert.
Der ursprünglich 330 m hohe Pfaffenberg wurde 1898 von Oberst Max Groller mit einer kleinen Grabung bedacht, nachdem schon 1848 zwei Inschriftensteine gefunden worden waren und der Hainburger F. Huber kleinräumige Untersuchungen durchgeführt hatte. Das Interesse an Carnuntum und seinen Fundstücken stieg stetig an, sodass im 20. Jahrundert die Gründung eines Museums und die Präsentation der Ruinenstätte erfolgt (Forschungen in Carnuntum III).