Исследователи Полоцкого Софийского собора советского периода внесли значительный вклад в изучение памятников древнерусской архитектуры. Среди них следует особо отметить И. М. Хозерова и Н. Н. Щекотихина.
Наиболее ценный вклад в изучение собора в этот период времени внёс Иван Макарович Хозеров (1889—1947). Он приступил к изучению памятников полоцкого зодчества в 1926 г., будучи заведующим Смоленским губернским музеем. Хотя И. М. Хозеров жил в Смоленске, его научные интересы были связаны и с белорусской историей, Институтом белорусской культуры, членом секции истории искусства которого он являлся в 20-е годы. Он проводил исследовательские и реставрационные работы на памятниках древнего зодчества Смоленска, Полоцка и Витебска, сочетая историко-архитектурное изучение храмов с археологическими поисками утраченных частей древних зданий.
Несколько раз приезжал И. М. Хозеров в Полоцк, где предпринял научные исследования и обмеры Софийского собора, Спасской церкви Евфросиниевского монастыря, руин культовых сооружений в Бельчицах. Итоги изучения полоцкого Софийского собора представлены им в книге «Полацкае будаўніцтва старадаўняга перыяду». Время сооружения храма автор относит к периоду между 1037 и 1045 годами. Он вносит уточнения в планы собора, сделанные А. М. Павлиновым и К. В. Шероцким, считает здание крестово-купольным, пятинефным, близким по архитектуре Софиям Киева и Новгорода. Тщательно обследовав остатки фундамента Софийского собора, И. М. Хозеров приходит к заключению, что западные апсиды являются позднейшей пристройкой и были сооружены не ранее XV в. По мнению исследователя, центральный вход в собор находился с запада, а не с юга, как полагал К. В. Шероцкий. Таким образом, Хозеров заострил внимание не только на конструкции храма, но также выяснил ряд характерных приёмов строительной техники древних зодчих.
Важной заслугой Хозерова была предложенная им реконструкция плана Софийского собора. На этом плане устранены неточности, допущенные К. Шероцким, обозначены места семи предполагаемых куполов и показаны две пары столбов в главном трансепте (ныне доказано, что одна), на которые опиралась аркада хор. План, предложенный И. М. Хозеровым, представлял собой квадрат со стороной примерно 27 м. Это гораздо точнее, чем план К. Шероцкого.
К сожалению, большинство своих материалов по изучению полоцкой архитектуры И. М. Хозеров не опубликовал, так как документация погибла во время Великой Отечественной войны.
В этот же период обследованием Полоцкой Софии занимался искусствовед, основатель белорусского искусствоведения Николай Николаевич Щекотихин (1896—1940). Он подтвердил выводы И. М. Хозерова о позднем характере западных апсид. Он же произвёл обмеры подземных частей храма и предложил план реконструкции Софии. Несмотря на то, что план Н. Н. Щекотихина в деталях менее подробен, чем план И. М. Хозерова (отсутствуют боковые проходы, некоторые внешние лопатки и т. д.), основные размеры Полоцкой Софии даны довольно точно. Общий план Софии, созданный им, долгое время был самым точным.
В 1929 г. Софию посетила экспедиция Первого Московского государственного университета под руководством профессора А. И. Некрасова. Учёные осмотрели собор и обнаружили остатки фресок на древних столбах храма, которые находились под полом. Однако относительно западных апсид они поддержали мнение К. В. Шероцкого. В августе 1946 г. в Полоцке работала объединённая экспедиция Института истории и теории архитектуры Академии архитектуры СССР и Управления по делам архитектуры при Совете Министров БССР под руководством профессора Н. И. Брунова. В её состав входили А. Л. Монгайт, И. М. Хозеров, Е. А. Ащепков. Были продолжены исследования собора. И. М. Хозеров снова подтвердил свой вывод о более позднем времени строительства западных апсид Полоцкой Софии. Были установлены первоначальные ниши во всех трёх апсидах восточной стены, некоторые из них оказались древними окнами, заложенными позднее. Изучалась конструкция, структура и глубина залегания фундаментов древней Софии.
В 1947 г. работы продолжались. Под руководством Евгения Андреевича Ащепкова было сделано несколько шурфов возле здания собора. Он, в противоположность Хозерову, утверждал, что западные апсиды изначальны.
Вышеупомянутые исследования показали, что собор является сложным и спорным памятником. Острые разногласия вызывал вопрос о происхождении западных апсид, неясным оставался вопрос устройства хор, не было данных о лестничной башне, неясно было назначение столба в западной части центрального нефа.
Задачу получить материал для решения проблем, связанных с реконструкцией первоначального облика храма, выполнили исследования по изучению Полоцкой Софии под руководством ленинградского исследователя В. А. Булкина (1937—2016), которые проходили в 1975—1980 гг.
Ход исследований и выводы, последовавшие из них, освещались в публикациях В. А. Булкина. Результаты этого этапа изучения собора также были отражены в известной работе П. А. Раппопорта «Русская архитектура X—XIII вв: Каталог памятников».
Детальное археологическое изучение собора показало, что от древнего храма частично сохранились наружные западная и восточная стены, а также нижние части остальных стен и столбов. Некоторые участки здания разрушены сильнее, и от них остались только фундаменты. Вызывавшие многочисленные споры исследователей западные апсиды церкви оказались поздними, не имеющими отношения к древнему памятнику.
Во время раскопок были обнаружены пристройки к зданию, исполненные в XII в. с юго-западного и юго-восточного угла, а также сложный комплекс усыпальниц и пристроек к востоку от собора.
Основываясь на исторических и археологических исследованиях, В. А. Булкин относит строительство собора к 50-м гг. XI в. (время правления князя Всеслава). Это подтверждается и текстом «Слова о полку Игореве».
Таким образом, исследования В. А. Булкина внесли существенные поправки в сложившиеся представления о соборе и дали исходный материал для изучения его архитектурной истории и реконструкции первоначального облика.
Исследования В. А. Булкина являются последними в ряду археологического изучения древнего собора. Они позволили белорусскому археологу Георгию Васильевичу Штыхову предложить реконструкцию древнего Софийского собора, которая и представлена в экспозиции музея.
