Tijdens de bouwwerkzaamheden en de restauratie werden op verscheidene plekken belangrijke archeologische vondsten gedaan. De eerste doken op in 2002. Naast de politietoren, op de plaats waar de nieuwbouw zou komen, verrichtte de Archeologische Dienst van de stad Antwerpen een grondig onderzoek en stootte daarbij op een grafkelder. Deze kelder bevond zich onder het westelijke deel van het kloosterpand en bevatte een tiental gemetselde nissen met daarin de doodskisten en stoffelijke resten van 18de-eeuwse augustijnen. Die vondst was des te belangrijker omdat aan de buitenzijde van de graven leistenen bordjes werden aangetroffen met de naam van de pater of lekenbroeder in kwestie. Daarop stond ook de eventuele wijdingsdatum en de overlijdensdatum vermeld. De overledenen waren dus perfect te identificeren. Bovendien vertoonden sommige graven nog goed bewaarde resten van schoenen en pijen. Dankzij die gegevens weten we nu ook precies hoe de Antwerpse augustijnen gekleed waren. Zij droegen een katoenen lendendoek, een wit wollen onderkleed, een wit schouderkleed en een zwarte kapmantel. Onder deze grafkelder werden in volle grond nog oudere resten gevonden, vermoedelijk van paters uit de beginperiode van het klooster. In tegenstelling tot de voormelde grafnissen bleef in deze bodemgraven enkel botmateriaal bewaard.
De grootste verrassing moest echter nog komen. Tussen de postmiddeleeuwse graven vond de Archeologische Dienst immers een Romeins crematiegraf met een urne, een deel van een bord, een gave beker en fragmenten van een glazen flesje. Het graf was opgebouwd met twee (oorspronkelijk vier) rechtopstaande dakpannen. De urne met deksel, die uit de 2de eeuw dateert, bevatte verbrande menselijke resten en maakte vermoedelijk deel uit van een groter grafveld. De beenderresten bleken na onderzoek afkomstig te zijn van een volwassen vrouw tussen 30 en 35 jaar oud, ongeveer 1,55m groot. Ze was moeder van minstens één kind. Haar doodsoorzaak kon niet achterhaald worden. De crematie was kort na het overlijden uitgevoerd op een brandstapel die minstens temperaturen van 800°C haalde. Op basis van het graftype, de grafgiften en de voedselresten blijkt dat deze dame van welstellende afkomst was. Het nieuwe van deze vondst was niet het bewijs dat Antwerpen bewoond was in de Romeinse tijd – dat was immers al langer bekend. Wel werd voor het eerst het grafveld uit die tijd blootgelegd en daarmee ook kennis opgedaan over de funeraire gebruiken in het Gallo-Romeinse Antwerpen.
In 2004 werd het opbreken van de kerkvloer aangegrepen voor archeologisch onderzoek van het interieur. Op geringe diepte en onregelmatig verspreid, werden graven uit de 17de en 18de eeuw blootgelegd. In drie gevallen ging het om grafkelders, wat doet vermoeden dat het om belangrijke personen ging. In een van de graven werd ook haar van een pruik gevonden.
Het archeologisch onderzoek bracht ook de ophogings- en nivellingeringslagen voor de bouw van de kerk aan het licht. Daarin vonden de onderzoekers pottenbakkersafval van een majolicabakker. Deze vondsten vullen de kennis aan over de Antwerpse majolicaproductie die ooit de belangrijkste van Noord-Europa was.