Mit dem Fortschritt der Grabungen im 19. Jahrhundert wurde auch ein Lager- und Ausstellungsraum für die zahlreich getätigten Funde nötig. Folglich wurde das Museum Carnuntinum in Bad Deutsch-Altenburg erbaut und am 27.05.1904 von Kaiser Franz Joseph I. feierlich eröffnet.
Die Grabungen in der Lagerstadt wurden fortgeführt von den Grabungsleitern Josef Dell und Carl Tragau. Es folgten die Freilegung des Mithräums III in Petronell, des Heiligtums des Jupiter Dolichenus in den canabae und durch Parzellen vorgegebene Grabungen im und rund um das Legionslager. Die Grabungen wurden von Oberst Max Groller übernommen, sodass bis 1913 nahezu das gesamte Lager freigelegt werden konnte. Der Erste Weltkrieg und die folgenden Nachkriegsjahre unterbrachen die erfolgreichen Grabungstätigkeiten in Carnuntum. Erst 1923 startete das Österreichische Archäologische Institut mit Rudolf Egger die Ausgrabungen auf der sogenannten Grübelremise, wo schließlich ein zweites Amphitheater (Amphitheater II der Zivilstadt) nachgewiesen werden konnte. Im Jahr 1935 wurde Erich Swoboda mit der neuerlichen Untersuchung des Pfaffenberges betraut, die er als „ergebnislos“ bezeichnete. Darauf wurde der Berg zum Steinabbau freigegeben, anstatt ihn unter Denkmalschutz zu stellen. Erst ab 1970 versuchte das Österreichische Archäologische Institut vom Heiligtum am Pfaffenberg zu retten, was noch zu retten war, bevor es der endgültigen Zerstörung preisgegeben werden sollte.
Kurz nach dem Anschluss Österreichs an Hitler-Deutschland wurden vom Gauleiter Hugo Jury umfassende Geldmittel zur Verfügung gestellt, um zwei Probegrabungen in der Zivilstadt Carnuntums zu finanzieren. Das Österreichische Archäologische Institut entsandte Erich Swoboda, der im Sommer 1938 spannende Befunde zu Tage brachte. Am 09.11.1938 wurde Adolf Hitler eine von 20 in limitierter Auflage erstellte Prachtkassette mit Fototafeln Carnuntums und einer Scheibenfibel mit Hakenkreuz überreicht. Dieses Geschenk sollte die Aufmerksamkeit des Führers auf Carnuntum lenken. Tatsächlich wurde Carnuntum zur Führer-Grabung ernannt und erhielt 2 Millionen Reichsmark zum Vorantreiben der Forschungen. Der Zweite Weltkrieg unterbrach die angefangenen Arbeiten, sodass diese erst 1948 wiederum von Erich Swoboda fortgeführt werden konnten. Ebenso begann Erich Swoboda die 1939 begonnenen und durch den Krieg eingestellten Grabungen in der sogenannten Palastruine wieder aufzunehmen. Damaliges Ziel war es, die freigelegten Mauern umgehend mit Zementmörtel zu „konservieren“, um so ein Freilichtmuseum zu erschaffen. Das zeigen auch zwei Filmdokumente „Carnuntum – Ein Pompeji vor den Toren Wiens“ (1939) und „An den Grenzen des römischen Reiches“ (1959) aus dem Österreichischen Filmarchiv.
Das Österreichische Archäologische Institut und die Limes-Kommission widmeten sich der Erforschung der Lagervorstadt (canabae) auf den Mühläckern zwischen 1978 und 1991 unter Manfred Kandler und legten ein Gebiet von rund 40.000 m2 frei. Das heutige Wahrzeichen Carnuntums, das außerordentlich gut erhaltene Heidentor, wurde nach kleineren Untersuchungen 1907 und 1955 zwischen 1998 und 2001 von Werner Jobst umfangreich erforscht.
Aquarell des Heidentors von Jakob Alt, Zustand 1816, Bild aus wikicommons
Der stetige Verfall der in den 1950ern angelegten „Schauruine“ machte nach kleinräumigen Untersuchungen wie z. B. der Südstraße in den 1990er Jahren ein groß angelegtes Projekt von 2001 bis 2011 notwendig. Die bereits freigelegten Bereiche wurden nochmals unter Anwendung moderner Stratigrafie-Grabung bis auf den gewachsenen Boden gegraben, an dem kein menschlicher Eingriff mehr nachweisbar war. Die aufgefunden Bodenschichten wurden sorgfältig dokumentiert und in Zusammenhang zueinander gestellt. In den Altgrabungen wurde nämlich primär nach Mauern gegraben und diese dann konserviert, unabhängig davon, ob die Mauern gleichzeitig waren. Die umfassenden Befunde erlaubten es, eine Phase zu fassen, die in allen Gebäuden des Stadtviertels gleichermaßen gut zu dokumentieren war. Diese Phase (Ende 3./Anfang 4. Jahhrundert n. Chr.) wurde in Form von Rekonstruktionen wiederhergestellt, um Besuchern römisches Leben anschaulich zu vermitteln. Derzeit sind keine großflächigen Grabungen geplant. Das Bild der Archäologie hat sich in den letzten Jahren etwas gewandelt. Heute setzt man primär auf zerstörungsfreie Methoden wie geophysikalische Prospektionsmethoden, mit denen kürzlich die Statthaltergarde-Quartiere lokalisiert werden konnten.