Сярод даследчыкаў Сафійскага сабора савецкага перыяду трэба адзначыць дзейнасць І. М. Хозерава і М. М. Шчакаціхіна.
Іван Макаравіч Хозераў (1889—1947) пакінуў найбольш значны след у вывучэнні сабора гэтага перыяду. Ён прыступіў да вывучэння помнікаў полацкага дойлідства ў 1926 г., калі з’яўляўся загадчыкам Смаленскага губернскага музея. Нягледзячы на тое, што І. М. Хозераў жыў у Смаленску, яго навуковыя інтарэсы былі звязаны і з беларускай гісторыяй, Інстытутам беларускай культуры, членам секцыі гісторыі мастацтва якога ён з’яўляўся ў 20-я гады. Ён займаўся даследаваннем і рэстаўрацыяй помнікаў старажытнага дойлідства Смаленска, Полацка і Віцебска, пры гэтым спалучаў гісторыка-архітэктурнае вывучэнне храмаў з археалагічнымі пошукамі страчаных частак старажытных будынкаў.
Некалькі разоў прыязджаў І. М. Хозераў у Полацк, дзе распачаў навуковыя даследаванні і абмеры Сафійскага сабора, Спаскай царквы Еўфрасіннеўскага манастыра, руін культавых збудаванняў у Бельчыцах. Вынікі вывучэння Сафійскага сабора знайшлі адлюстраванне ў кнізе «Полацкае будаўніцтва старадаўняга перыяду». Час узвядзення храма аўтар адносіць да перыяду паміж 1037 і 1045 гадамі. Ён удакладняе планы сабора, якія зрабілі А. М. Паўлінаў і К. В. Шароцкі, лічыць, што будынак з’яўляецца крыжова-купальным, пяцінефным, блізкім па архітэктуры да Сафіяў Кіева і Ноўгарада. І. М. Хозераў старанна вывучае рэшткі падмурка Сафійскага сабора і прыходзіць да высноў, што заходнія апсіды з’яўляюцца пазнейшымі прыбудовамі, якія былі ўзведзены не раней за ХV ст. На думку даследчыка, цэнтральны ўваход у сабор знаходзіўся з захаду, а не з поўдня, як лічыў К. В. Шароцкі. Такім чынам, Хозераў засяродзіў увагу не толькі на канструкцыі храма, а таксама вылучыў шэраг характэрных прыёмаў будаўнічай тэхнікі старажытных дойлідаў.
Вялікае значэнне мела рэканструкцыя плана Сафійскага сабора, якую прапанаваў Хозераў. На гэтым плане ліквідаваны недакладнасці, зробленыя К. Шароцкім, пазначаны месцы, дзе маглі знаходзіцца 7 купалоў, і паказаны дзве пары слупоў у галоўным трансепце (цяпер даказана, што адна), на якія абапіралася аркада хораў. План, прапанаваны І. М. Хозеравым, уяўляе сабой квадрат з бакамі прыкладна 27 м. Гэта значна дакладней, чым план К. Шароцкага.
На жаль, большасць матэрыялаў па вывучэнні полацкай архітэктуры І. М. Хозеравым не была надрукаваная, паколькі дакументацыя загінула падчас Вялікай Айчыннай вайны.
У гэты ж перыяд абследаваннем Полацкай Сафіі займаўся мастацтвазнаўца, заснавальнік беларускага мастацтвазнаўства Мікалай Мікалаевіч Шчакаціхін (1896—1940). Ён пацвердзіў высновы І. М. Хозерава пра пазнейшае збудаванне заходніх апсід. Ён жа зрабіў абмеры падземных частак храма і прапанаваў план рэканструкцыі Сафіі. Нягледзячы на тое, што план М. М. Шчакаціхіна менш падрабязны, чым план І. М. Хозерава (адсутнічаюць бакавыя праходы, некаторыя знешнія лапаткі і г. д.), асноўныя памеры Полацкай Сафіі пададзены даволі дакладна. Агульны план Сафіі, які ён прапанаваў, доўгі час з’яўляўся самым дакладным.
У 1929 г. Сафію наведала экспедыцыя Першага Маскоўскага дзяржаўнага ўніверсітэта пад кіраўніцтвам прафесара А. І. Някрасава. Навукоўцы агледзелі сабор і выявілі рэшткі фрэсак на старажытных слупах храма, якія знаходзіліся пад падлогай. Аднак адносна заходніх апсід яны падтрымалі меркаванне К. В. Шароцкага.
У жніўні 1946 г. у Полацку працавала аб'яднаная экспедыцыя Інстытута гісторыі і тэорыі архітэктуры Акадэміі архітэктуры СССР і Упраўлення па справах архітэктуры пры Савеце Міністраў БССР пад кіраўніцтвам прафесара М. І. Брунава. У яе склад уваходзілі А. Л. Мангайт, І. М. Хозераў, Я. А. Ашчэпкаў. Было працягнута даследаванне сабора. І. М. Хозераў зноў пацвердзіў сваю выснову пра больш позні час будаўніцтва заходніх апсід Полацкай Сафіі. Былі вызначаныя першапачатковыя нішы ва ўсіх трох апсідах усходняй сцяны, удалося высветліць, што некаторыя з іх з’яўляюцца старажытнымі вокнамі, якія былі закладзены пазней. Вывучаліся канструкцыя, структура і глыбіня залягання падмуркаў старажытнай Сафіі.
У 1947 г. працы працягваліся. Пад кіраўніцтвам Яўгенія Андрэевіча Ашчэпкава было зроблена некалькі шурфоў каля будынка сабора. Ён, у адрозненне ад Хозерова, сцвярджаў, што заходнія апсіды першапачатковыя.
У ліпені 1957 г. Міхаіл Канстанцінавіч Каргер праводзіў невялікія раскопкі пад падлогай Полацкай Сафіі. У выніку былі адкрытыя рэшткі падмуркаў і сцен з фрэскавымі роспісамі.
Вышэйзгаданыя даследаванні паказалі, што сабор з’яўляецца складаным і спрэчным помнікам. Вострыя дыскусіі выклікала пытанне пра паходжанне заходніх апсід, незразумелым заставалася пытанне пабудовы хораў, не было дадзеных пра лесвічную вежу, было незразумелым прызначэнне слупа ў заходняй частцы цэнтральнага нефа.
Задачу атрымаць матэрыял для вырашэння праблем, звязаных з рэканструкцыяй першапачатковага аблічча храма, выканалі даследаванні па вывучэнні Полацкай Сафіі пад кіраўніцтвам ленінградскага даследчыка В. А. Булкіна (1937—2016), якія праходзілі ў 1975—1980 гг.
Ход даследаванняў і высновы з іх асвятляліся ў публікацыях В. А. Булкіна. Вынікі гэтага этапу вывучэння сабора таксама былі адлюстраваны ў вядомай працы П. А. Рапапорта «Руская архітэктура X—XIII стст. Каталог помнікаў». Дэталёвае археалагічнае вывучэнне сабора паказала, што ад старажытнага храма часткова захаваліся вонкавыя заходняя і ўсходняя сцены, а таксама ніжнія часткі астатніх сцен і слупоў. Некаторыя часткі будынка разбураны мацней, і ад іх засталіся толькі падмуркі. Заходнія апсіды царквы, якія выклікалі шматлікія спрэчкі даследчыкаў, выявіліся больш познімі збудаваннямі і не мелі дачынення да старажытнага помніка.
Сафійскі сабор у XI ст. з’яўляўся вялікім пяцінефным храмам з трыма паўкруглымі апсідамі. Яго шырыня — 26.4 м, даўжыня без апсіды такая ж, а з апсідамі — каля 31.5 м. Апорныя слупы ў выглядзе крыжа; на ўнутранай і вонкавай паверхні сцен ім адпавядаюць плоскія лапаткі. Памер падкупальнай прасторы ўздоўж храма — 5.5 м, упоперак — 5.7 м. Таўшчыня сцен — 1.45 м. У саборы, відавочна, былі хоры, якія абапіраліся на васьмігранныя слупы, сляды якіх былі выяўлены.
Таксама выяўлены рэшткі квадратнай лесвічнай вежы, якая прымыкала з поўначы да паўночна-заходняга вугла храма.
Сцены сабора складзеныя ў змешанай тэхніцы: рады цэглы і рады неапрацаваных камянёў, якія выходзяць на фасады. Цагляная муроўка «са схаваным радам» запаўнялася цамяначнай рошчынай. На некаторых цаглінах выяўленыя знакі на тарцах.
Падмурак храма стужкавы, які ўтварае суцэльны каркас. Складзены ён з камянёў на вапнавай рошчыне без цамянкі. На сценах, найбольш ва ўсходняй апсідзе, захаваліся рэшткі фрэскавага роспісу.
Падчас раскопак былі знойдзены прыбудовы да храма, выкананыя ў XII ст. з паўднёва-заходняга і паўночна-ўсходняга вуглоў, а таксама складаны комплекс пахаванняў і прыбудоў на ўсход ад сабора.
Грунтуючыся на гістарычных і археалагічных даследаваннях, В. А. Булкін адносіць будаўніцтва сабора да 50-х гг. XI ст. (час кіравання князя Усяслава). Гэта пацвярджае і тэкст «Слова пра паход Ігаравы».
Такім чынам, даследаванні В. А. Булкіна ўнеслі істотныя змены ва ўяўленне пра сабор, якое існавала да гэтага. Яны сталі асновай для вывучэння архітэктурнай гісторыі і рэканструкцыі першапачатковага аблічча Сафійскага сабора.
Даследаванні Валянціна Булкіна з’яўляюцца апошнімі ў шэрагу археалагічнага вывучэння старажытнага сабора. Яны дазволілі беларускаму археолагу Георгію Васільевічу Штыхаву прапанаваць рэканструкцыю старажытнага Сафійскага сабора, якая і прадстаўлена ў экспазіцыі музея.
