Im Umfeld der Annakirche und in der Kirche selbst wurden seit den 1940er Jahren wiederholt archäologische Beobachtungen und Ausgrabungen durchgeführt, deren Ergebnisse die Kenntnisse zur Geschichte der Kirche vertieften und erweiterten. Darüber hinaus ergaben sich Hinweise auf Relikte einer jungsteinzeitlichen Besiedlung an diesem Platz sowie verlagerte römische Funde.

Beobachtungen der 1930er bis 1940er Jahre
Im Garten des ehemaligen Eichamtes und im Garten der Wirtschaft „Zur Altdeutschen“ wurden in den 1940er Jahren zwei Suchschnitte durch das städtische Tiefbauamt angelegt. Ziel der Suche war der Nachweis karolingischer Baureste im Umfeld der Annakirche. Im ersten Suchgraben fanden sich Mauerreste, die nicht näher einem Gebäude zuzuordnen waren. Die ältesten Gefäße waren hier Kugeltöpfe des Hohen Mittelalters. Der zweite Suchgraben ging bis in das Grundwasser in rund zwei Metern Tiefe. Es wurde eine Bruchsteinmauer erfasst, zwischen dieser und einem Holzbalken lag Faschinenwerk. Letzteres diente wohl der Fundamentierung im Grundwasser. Über diesen Befunden lag ein hochmittelalterlicher Kugeltopf. In beiden Schnitten fanden sich römische Dachziegelfragmente, die vermutlich hierher eingeschwemmt worden waren.
Bei Erdbewegungen im Sommer 1941 entdeckte man im Bereich des mittelalterlichen Friedhofes zahlreiche römische Ziegelfragmente, die auf ziegelgedeckte Gebäude der römischen Besiedlung im Umfeld der Annakirche hinweisen.

Baugeschichtliche Untersuchungen 1953
Im Zweiten Weltkrieg wurde die Annakirche im Aufgehenden weitgehend zerstört. Im Zuge der Wiederaufbauarbeiten führten die Kunstdenkmäleraufnahme bei der Rheinischen Denkmalpflege und das Rheinische Landesmuseum Bonn baugeschichtliche Untersuchungen und Grabungen durch. Trotz moderner Störungen durch einen Betonfußboden konnten noch drei vorgotische Bauphasen dokumentiert werden:
Der Bau I war eine rechteckige Saalkirche, von der nur noch die Fundamente des Westteils erfasst werden konnten. Vor der Westwand lag in ganzer Breite eine dreigeteilte Vorhalle mit erhöhtem Mittelteil. Diese Phase datierte man zwischen 700 und 770. Zu dieser Kirche dürften auch die ältesten gefundenen Gräber gehören, die nach ihren Beigaben noch in das 7. Jahrhundert datieren.

Beim Bau II handelt es sich um eine dreischiffige Basilika ohne Querschiff, der im Westen auf ganzer Breite eine dreiteilige Vorhalle mit erhöhtem Mittelteil vorgelagert war. Die Breite des Hauptraumes ist größer als seine Länge. An den östlichen Enden der Seitenschiffe war je ein kleiner Raum abgetrennt. Die Apsis war erhöht und in der Breite des Mittelschiffs vom Hauptschiff abgesetzt. Diese Phase wird in die Zeit von 770 bis 881/882 datiert. Es handelt sich vermutlich um die 775 urkundlich erwähnte Pfalzkapelle Karls des Großen, die durch Brand in den Normannenkriegen zerstört wurde.
Kurz vor der Zerstörung wurde am südlichen Seitenschiff mit dem Bau einer Erweiterung begonnen, aber nicht vollendet (Bau II a).

Nach der Brandzerstörung errichtete man eine dreischiffige Pfeilerkirche ohne Querschiff Bau III. Sie besaß einen längs rechteckigen Vorchor und eine eingezogene Apsis. Die Seitenschiffe endeten nach Osten in kleinen Apsiden. Die Westwand verlief gerade und besaß keinen Eingang. Dieser lag in der Südwestecke der Kirche und war ein kleiner abgetrennter Raum als Eingangshalle. Durch Urkunden ist die Bauphase zwischen 941 und 1226 datiert.
Als Umbauphase III a bezeichnet man den Einbau eines mächtigen Westturmes mit verbreiterter Südmauer zur Aufnahme einer Treppe. Anbauten fanden sich am nördlichen Seitenschiff. Die Errichtung des Westturms gehört wohl ins 11. Jahrhundert.

Aus vorgeschichtlicher Zeit stammten zwei Gruben und eine Feuerstelle, bei denen sich Absplisse von Feuersteinen und jungsteinzeitliche Keramik fanden.

Jüngere archäologische Untersuchungen
Bei archäologischen Untersuchungen im Zuge der Neugestaltung des Annaplatzes 1990 konnten gotische, renaissancezeitliche und neogotische Baureste dokumentiert werden. Diese Untersuchungen beschränkten sich jedoch auf die obersten Bodenschichten und konnten aufgrund der laufenden Baumaßnahmen nicht weiter geführt werden.
An der Nordseite der Kirche erfasste man drei Strebepfeiler-Fundamente des ab 1507 angefügten Erweiterungsbaues an die 1230 errichtete gotische Vorgängerkirche. Eine Reparaturstelle kann mit Zerstörungen durch den Brand der Kirche 1553 zusammenhängen.
Nach Osten schlossen sich weitere Fundamente der Kapelle von 1507 an. Über diesen Fundamenten erkannte man die Fundamente der 1881 fertig gestellten Josefskapelle.

Die Annakirche und der Kirchhof sind eingetragenes Bodendenkmal (Stadt Düren: lfd. Nr. B 144; LVR-ABR: DN 144).

(LVR-Amt für Bodendenkmalpflege im Rheinland, 2012)