Ужо ў ХІХ стагоддзі Сафійскі сабор выклікае цікавасць у аматараў даўніны. Адным з першых на старажытныя часткі храма звярнуў увагу Дзмітрый Міхайлавіч Струкаў (1828–1899). У 1864–1867 гг. мастака Дз. М. Струкава запрасілі да ўдзелу ў мастацкай экспедыцыі па Паўночна-Заходнім краі. Ён даследаваў сабор у 1864 г. У сутарэннях будынка Дз. Струкаў бачыў рэшткі першапачатковай пабудовы.
У канцы ХІХ ст. многія даследчыкі імкнуліся адшукаць рэшткі першапачатковай пабудовы. Паколькі храм быў атынкаваны звонку і знутры, старажытныя муры вырашылі шукаць у сутарэннях сабора. Першая спроба выявіць іх не мела поспеху, таму што ход у падземную частку храма быў закладзены. Пра гэта згадваецца ў даследаваннях Аляксандра Максімавіча Семянтоўскага.
У 1898 г. Аляксей Парфёнавіч Сапуноў выпускае капітальную працу «Рака Заходняя Дзвіна», у якой надае нямала ўвагі полацкім помнікам архітэктуры.
Работы мясцовых даследчыкаў не выходзяць за кола апісальных прыёмаў аматараў даўніны. Ніякага навуковага падыходу ў адносінах да помнікаў і аналізу іх архітэктурных формаў у выданнях таго перыяду мы не сустракаем.
Першы досвед абследавання культавых каменных пабудоў Полацка, у тым ліку і Сафійскага сабора, у дарэвалюцыйны перыяд належыць А. М. Паўлінаву, К. В. Шароцкаму, П. П. Пакрышкіну. Яны вывучалі толькі тыя будынкі, якія захаваліся, пакінулі апісанне і схематычныя планы некаторых з іх, археалагічныя раскопкі загінуўшых цэркваў не праводзілі.
У канцы ХІХ ст. Сафійскі сабор прыйшоў у запусценне, тынкоўка месцамі абвалілася, таму архітэктар і археолаг Андрэй Міхайлавіч Паўлінаў (1852—1897) пры аглядзе змог выявіць старажытную кладку ХІ ст., выкананую з плінфы і камянёў. А. М. Паўлінаў параўнаў памеры цэглы Полацкай Сафіі і Сафіі Наўгародскай і адзначыў іх падабенства. Ён першым з даследчыкаў прыйшоў да высноў, што заходнія апсіды пазнейшыя за ўсходнія і пабудаваныя для сіметрыі аб’ёмна-прасторавай кампазіцыі храма.
У 1895 г. з’явіўся артыкул А. М. Паўлінава «Старажытныя храмы Віцебска і Полацка», які ў якасці навуковага даклада аўтара на ІХ археалагічным з’ездзе ўвайшоў у том 1 «Працы ІХ археалагічнага з’езда ў Вільна 1893».
Пазнейшыя даследчыкі сабора станоўчую ролю артыкула бачылі ў прыцягненні ўвагі шырокай грамадскасці да гістарычных помнікаў Полацка.
Вялікі ўнёсак у вывучэнне рэшткаў сабора ў дарэвалюцыйны перыяд зрабіў архітэктар і рэстаўратар Пётр Пятровіч Пакрышкін (1870—1922). Ён ажыццяўляў нагляд і абследаваў Сафію ў 1900—1913 гг.
Летам 1909 г. П. П. Пакрышкін выявіў пад падлогай рэшткі слупоў і сцен храма ХІ—ХІІ ст. Ён зрабіў зандажы на сценах будынка і прыйшоў да высновы, што ўсходнія апсіды захаваліся цалкам і часткова — першапачатковая заходняя сцяна сабора. Было выказана меркаванне, што ў заходніх частках храма могуць быць адкрытыя рэшткі вежаў, якія, верагодна, знаходзіліся з паўднёва-заходняга і паўночна-заходняга вуглоў першапачатковага будынка.
У 1913 г. пад кіраўніцтвам П. П. Пакрышкіна і пры назіранні інжынера-архітэктара Івана Пятровіча Суханава (1881—1942) быў праведзены капітальны рамонт Сафійскага сабора. Было высветлена, што старажытных частак захавалася больш, чым было выяўлена ў 1909 г. Захаваліся падмурак сабора ХІ ст., а таксама яго заходнія і ўсходнія сцены, якія ўвайшлі ў склад новага будынка.
На вялікі жаль, вынікі назіранняў і раскопак пад кіраўніцтвам П. П. Пакрышкіна не былі апублікаваныя. Аднак часткова яны былі адлюстраваныя ў артыкулах Н. Н. Кайгародава (1840—1916) і К. В. Шароцкага (1886—1919).
Артыкул Нестара Нікіфаравіча Кайгародава «Полацк і яго царкоўна-гістарычныя старажытнасці» быў надрукаваны ў 1914 г.
У 1915 г. выйшла праца Канстанціна Вітальевіча Шароцкага «Полацкі Сафійскі сабор».
К. В. Шароцкі ў ёй падыходзіць да аналізу архітэктурнага аблічча сабора і ўпершыню публікуе план старажытнай Сафіі. Ён дае падрабязнае апісанне муроўкі сцен сабора, якая пазней атрымала назву «са схаваным радам». К. В. Шароцкі раскрытыкаваў выказванне А. М. Паўлінава пра тое, што заходнія апсіды больш познія.
Пункт гледжання К. В. Шароцкага стаў пачаткам шматгадовай дыскусіі навукоўцаў пра час збудавання заходніх апсід Сафійскага сабора і, адпаведна, пра першапачатковы план будынка. Прыхільнікі наяўнасці старажытных заходніх апсід пісалі пра раманскі ўплыў на архітэктуру полацкай Сафіі, што было канчаткова аспрэчана толькі ў выніку даследаванняў В. А. Булкіна.
Наступны этап вывучэння сабора і іншых помнікаў манументальнага дойлідства Полацка прыпадае ўжо на паслярэвалюцыйны час, на 20-я гг. ХХ ст.