Le diagnostic archéologique a été réalisé en contexte urbain, sur une parcelle de 9 600 m², dont un tiers était bâtie ou boisé. Douze sondages ont été effectués à la pelle mécanique munie d'un godet de curage. L'épaisseur des niveaux à ôter, avant d'atteindre les premiers vestiges archéologiques, varie de 0,40 à 1,20 m.

L'abbaye de Luxeuil est fondée dans les années 590 par le moine irlandais Colomban. La renommée de son premier abbé et de ses multiples disciples a conduit à faire de cette fondation l'une des plus prestigieuses abbayes d'Occident durant le haut Moyen Âge.
Mal connu par les sources, non exploré par l'archéologie, les sondages réalisés en amont d'un projet de réaménagement de la place de la République ont révélé les premiers témoignages du monastère mérovingien.
 
L'historiographie luxovienne accorde une large place à cet espace situé au cœur du centre historique. De nombreuses découvertes de sarcophages et de stèles funéraires antiques sont mentionnées depuis le XVIII^e siècle. Et les sources anciennes indiquent l'existence d'une église sous le vocable de Saint-Martin dont on nous dit qu'elle est reconstruite en 1434. Sa première mention remonte pourtant à la fin du X^e siècle, lorsque l'abbé Adson relate l'inhumation en 670 de saint Valbert, troisième abbé de Luxeuil, derrière l'autel Saint-Martin, "dans une crypte d'un travail remarquable".
 
Les sondages ont effectivement révélé les vestiges d'une église du haut Moyen Âge. Le plan demeure bien évidemment incomplet, mais les vestiges découverts nous permettent d'ores et déjà d'en restituer prudemment quelques grandes lignes : l'église orientée nord-est/sud-ouest comporte une nef centrale – probablement flanquée de bas-côté ou de portiques – ouvrant sur un chœur profond – près de 9,50 m. Le chœur serait barré par un surprenant transept débordant, ou, plus probablement, encadré d'annexes latérales ; il s'achève par une abside rectangulaire de 4,40 m de profondeur (hors œuvre). L'absence de mur de façade ne nous permet pas de restituer la longueur de l'église. Les vestiges affleurent sous le niveau de la place, mais le mur gouttereau sud de l'abside est conservé sur une élévation de 1,60 m. Les maçonneries présentent plusieurs phases de constructions. L'édifice est accompagné d'un nombre important de sarcophages des VI^e-début du VIII^e siècles, témoignant de sa fonction funéraire au sein du monastère durant le haut Moyen Âge.
 
La basilique funéraire Saint-Martin s'inscrirait dans un secteur de l'agglomération antique occupé durant le bas Empire, peut être dans un castrum dont le biographe de Colomban, Jonas de Bobbio, mentionne l'existence dans son récit écrit vers 640.