В этот период начинается постепенный упадок города. Наибольший ущерб Ани нанесло сильное землетрясение 1319 г., после которого оставшиеся в живых горожане переселялись в другие места. В XV в. Ани окончательно запустел. Археологическое исследование городища Ани началось в 1892 г. под руководством Николая Яковлевича Марра. Работы российских археологических экспедиций 1892–1893 и 1904–1916 гг. выявили структуру города с дворцовой площадью и веерообразно расходящимися от неё главными улицами. Кроме дворцового комплекса, включавшего церковь зального типа, бани, главными объектами города являлись три крупнейших храма. Кафедральный собор Ани (989–1001 гг., наос 22х34 м, зодчий Трдат), 4-столпный крестово-купольный храм, построен при католикосе Хачике I Аршаруни. Храм Гагикашен (св. Григория Просветителя; 1001–1020 гг., зодчий Трдат) построен также по царскому заказу и копирует структуру храма Звартноца, но с большей утончённостью. Пятикупольная церковь Сурб Аракелоц (святых Апостолов; начало XI в., заказчики – князья Пахлавуни) – тетраконх с удлинёнными рукавами и крестообразными в плане часовнями в углах. Кроме того, в Ани полностью или частично сохранились церкви Абугамренц (первая половина X в.), Сурб Пркич (Спасителя; 1036 г.), так называемая Пастушья церковь (XI в.) с 6-гранным внутренним и 12-гранным внешним контурами стены. В этих постройках ярко проявились черты анийской архитектурной школы, развившей принципы армянской классики VII в. Среди произведений эпохи второго расцвета Ани выделяются возведённые Тиграном Оненцом церкви святых Григория Просветителя (1215 г.) и Рипсимии (первая половина XIII в.) в Девичьем монастыре. В храме св. Григория, перешедшем около середины XIII в. от Армянской церкви к православным, сохранилась стенная роспись с сюжетами жития св. Григория и историей обращения Армении в христианство. В 1251 г. был построен и расписан притвор церкви. Свидетельством существования других православных храмов в Ани является эпиграфическая надпись XIII в. Католикоса-Патриарха Грузии Епифания об их освящении. Уникальным по структуре и масштабу является пещерный город с жилыми помещениями, церквами и усыпальницами, расположенный в Ани.