La iglesia de Santo Tomé y su entorno fueron el escenario, entre finales de los años noventa y el comienzo del nuevo milenio, de una intensa labor de investigación arqueológica. Al acondicionamiento de la Plaza del Conde y la rehabilitación de la torre mudéjar siguió en 2001 la excavación de la capilla de la Concepción, el espacio en donde la leyenda medieval y los historiadores han coincidido a la hora de situar los restos mortales del señor de Orgaz, además de la conocida tela pintada por el Greco.

Un equipo multidisciplinar encabezado por los arqueólogos Ramón Villa y José Ignacio Álvarez fue el encargado de excavar la tumba, descubierta durante las primeras catas de sondeo. Concretamente, la esquina de un sarcófago de granito cuyo interior no había sido vaciado y que los arqueólogos encontraron colmatado con relleno de tierra, pequeñas piedras, material de derribo, fragmentos cerámicos y una considerable cantidad de restos óseos.

La excavación, iniciada el 13 de marzo con la aplicación del Método Harris a fin de registrar minuciosamente la estratigrafía, tuvo que desarrollarse en condiciones de aislamiento para evitar que el polvo producido por el movimiento de tierras dañase a la pintura. La tumba fue recubierta por una estructura de metal y plástico similar a la de los invernaderos que, en contra de las garantías ofrecidas por el párroco, llegó a ser muy criticada por importantes restauradores por el riesgo que la excavación entrañaba para el cuadro.

Los arqueólogos consiguieron identificar hasta cinco estructuras diferentes, incluido un antiquísimo solado hidráulico romano de opus signinum. Correspondiente a la época medieval se localizó un enterramiento en fosa del tipo denominado ‘de cubierta plana’, sepulcro al que sucedió el sarcófago de granito. Arqueólogos y expertos forenses identificaron en su interior restos humanos correspondientes a varias personas, en concreto cinco adultos y seis niños. Los restos hallados a mayor profundidad, debido al aplastamiento y la humedad, poco pudieron revelar a los especialistas. Ni siquiera el sexo del supuesto señor de Orgaz pudo ser identificado de manera concluyente. El informe forense, incluso, llegó a sugerir la posibilidad, basada en comparativas antropométricas, de que los huesos fueran en realidad de una mujer.