В 1902 г. внимание члена Воронежской ученой архивной комиссии М. Трунова привлекли два холма, представлявшие собой развалины кирпичных строений. Однако только в 1948 г. одно из них было частично исследовано научным сотрудником Государственного исторического музея В. П. Левашевой. Под полом здания она обнаружила несколько мусульманских захоронений. На берегу р. Мечеть В. П. Левашева обследовала горн для обжига кирпича.
В 2002 г. археологической экспедицией Воронежского государственного университета под руководством доцента кафедры археологии М. В. Цыбина были полностью вскрыты остатки второй мечети. По частично сохранившемуся фундаменту удалось установить, что мавзолей имел общие размеры примерно 21,5 × 10,5 м и был ориентирован по линии юг – юго-запад – север – северо-восток. При строительстве здания в основном использовались квадратные кирпичи размером 23,5–24 × 23,5–24 на 5–6 см.
При установке фундамента кирпичи укладывались на материковый суглинок, скрепленные глиняным раствором; толщина фундамента достигала 1,8 м. Основу плановой структуры мавзолея составляло прямоугольное помещение размерами около 14,5 × 10,5 м, разделенное стеной на две камеры: усыпальницу (гур-хана) и место оплакивания (зиярат-хана). В гур-хане находилась полностью разграбленная гробница, имевшая размеры 4,5 × 4,6 м и углубленная в материк на 1,5 м; на полу гробницы местами сохранились кирпичи. Рядом с центральной гробницей были обнаружены два более поздних по времени погребения. Одно из них, перерезавшее стену гробницы, разрушено. Второе – совершено в узкой могильной яме в деревянном гробу, обитом кожей и скрепленном железными скобами. Погребение было перекрыто кирпичами. Ориентировка тела – с запада на северо-запад.
С северной-северо-восточной стороны к гур-хане было пристроено прямоугольное помещение, размерами около 5 м на 4 м, в котором, судя по находкам костей и двух бронзовых бубенчиков, также совершались захоронения.
С южной-юго-западной стороны длинные стены мавзолея оканчивались пилонами. Вход, очевидно, перекрывался аркой, которая вместе с пилонами образовывала портал, украшенный мозаикой на кашине. Непрозрачная полива плиток имела чаще всего бирюзовый, ультрамариновый, белый цвета; встречались плитки, покрытые тонкой золотой фольгой по белой поливе. Орнаментация мозаик представлена растительными узорами, геометрическими фигурами и, возможно, буквами.
За пределами мавзолея выявлены три погребения в узких могильных ямах с западной ориентировкой. В одном из них найдено пять дирхемов, четыре из которых