En 1970, la commune décide de construire un local pour le Service du feu sur la terrasse nord du Prieuré. Afin de vérifier la présence de vestiges romains dans cette terrasse, des fouilles archéologiques sont entreprises dès 1971, sous la direction de Denis Weidmann, futur archéologue cantonal. Les découvertes sont spectaculaires: plusieurs murs romains imposants, parmi lesquels ceux du pavillon conservés dans le musée et une fresque longue de plus de 15 mètres représentant une course de char.
Au vu de la nature exceptionnelle de ces découvertes, la Ville de Pully, l’État de Vaud et la Commission fédérale des monuments historiques, décident de préserver une partie des vestiges en construisant un abri-musée.
Les vestiges de la villa et ses fresques sont classés en note A à l’Inventaire des biens culturels d’importance nationale.
Des fouilles de moindre envergure sont entreprises en 1976. Elles livrent certains vestiges en lien avec la villa, tel qu’un portique associé au pavillon. Plus tard, en 1978 et 1981, les archéologues interviennent dans la zone du Prieuré, mettant au jour les canalisations des thermes romains et un imposant pressoir à vin médiéval.