Стилистические особенности капителей пилястр и декора дверных перемычек в атриуме позволяют исследователям предположить, что атриум перестраивался при Омейядах или даже при Аббасидах, вероятно, после землетрясения 749 г. Как показали раскопки Дзафериса на территории греческого участка, Капернаум существовал и в это время. Сторонник ранней датировки Э.Л. Сукеник ещё в 1930 гг. на основе палеографического анализа отмечал византийский характер арамейской надписи на колонне «Халфи, сын Заведея, сын Иоханана сделал эту колонну. Да будет он благословен» (другая колонна имеет надпись на греческом: «Ирод, сын Мо(ни)моса, и Юстус, его сын, вместе с другими детьми воздвигли эту колонну»). Йорам Цафрир, не отказываясь в принципе от ранней датировки синагоги, в то же время подчёркивал византийский характер её декора. Э.М. Майерс, Г. Фёрстер, А. Стрейндж поддержали раннюю датировку. Сторонниками поздней датировки (вторая половина V – VI вв.) помимо францисканских археологов были Джоди Магнесс, Дэниел Милсон, Л. Левин. Кроме археологических находок и результатов искусствоведческого анализа деталей в пользу датировки византийским периодом свидетельствуют и данные метрологических исследований Д. Чена (в качестве меры при строительстве использовался византийский (31–32 см), а не римский фут (30 см); последний перестали применять уже в начале IV в.). Ц.У. Маоз высказал предположение, что капернаумскую синагогу в V в. построили христиане как мартирий на loca sancta, при этом использовались остатки других (трёх или четырёх) синагог, заброшенных в III в. То, что синагога с самого начала была христианским памятником, по мнению Ц.У. Маоза, может объяснить странное положение здания (среди других построек) – недалеко от церкви-октагона, а также некоторые архитектурные особенности: большое количество дверных порталов (12 вместо традиционных трёх – четырёх; три входа с восточной стороны атриума имеют исключительно декоративный характер, нависая над подиумом) и наличие бокового атриума, как в сирийских христианских храмах. Ц.У. Маоз, объясняя таким образом архитектурные особенности здания, не учёл, однако, того факта, что паломница IV в. монахиня Эгерия сообщает только о деталях входного портала синагоги – войти и увидеть интерьер она, как христианка, видимо, не могла. С учётом всех объяснений исследователи делают вывод: капернаумская синагога действительно могла быть построена (вероятно, на месте упомянутой в Евангелии) во II – начале III вв. (именно её видела монахиня Эгерия в конце IV в.). Находки (монеты, керамика) и метрологические измерения свидетельствуют о её значительной перестройке в конце V – начале VI вв., когда вторично использовались элементы декора зданий римского времени, в том числе и ранней синагоги. Наряду со старыми деталями появились и новые, византийские (антаблементы с аканфовыми медальонами, иудейскими символами, а также некоторые капители), что исследователи объясняют различными стилевыми характеристиками декора. С учётом запрета императора Феодосия II на строительство новых синагог (439 г.) исследователи предполагают, что иудеи построили новое здание синагоги под предлогом ремонта старого. Атриум мог быть реконструирован после землетрясения 749 г. Как показали исследования, в дальнейшем здание не раз ремонтировалось, в результате чего антаблементы, дверные и оконные перемычки заняли случайные места в кладке стен. К началу реставрации стены синагоги не поднимались выше одного ряда каменной кладки, за исключением северной стены, которая возвышалась до верхнего уровня северных колонн с антаблементом.