В 1905 г. «Хранители земли» дали разрешение на исследование синагоги немецким археологам Х. Колю и Карлу Ватцингеру, позже – В. фон Бендену (1905–1915 гг.), которые на основе стилистического анализа скульптурного декора датировали её строительство началом III в. н.э. Эта датировка легла в основу теории Элиэзера Липы Сукеника и Михаэля Ави-Йоны о трёхэтапном развитии архитектуры палестинских синагог. Синагога Капернаума в рамках данной теории рассматривается в качестве примера так называемого галилейского, самого раннего, типа III в. Раскопки, которые проводили уже францисканцы, были прерваны Первой мировой войной. Исследования и реставрационные работы возобновились в 1921 г. под руководством Г. Орфали и продлились до 1926 г. Учёный раскопал часть октагона на месте дома апостола Петра и начал реконструкцию синагоги. В 1968 г. работы возглавили В.К. Корбо и С. Лоффреда из Францисканской школы библейских исследований в Иерусалиме. В самом нижнем слое фундамента было обнаружено основание из чёрного базальта, которое В.К Корбо идентифицировал как синагогу времени Христа, а С. Лоффреда посчитал промежуточным строением (судя по всему, М. Ави-Йона был первым, кто предположил, что базальтовый пол под «белой синагогой» принадлежал более ранней синагоге; и хотя некоторые исследователи отклоняют эту датировку, она по-прежнему принимается большинством). Также в кладке и основаниях стен было найдено большое количество византийских монет времени императоров Маркиана (450–457 гг.) и Льва I (457–474 гг.), что позволило археологам передатировать строительство синагоги с III в. на вторую половину V в. Дискуссии о времени возникновения памятника, получившие новый импульс в результате этих выводов, проходят и в настоящее время. Так, М. Ави-Йона не согласился с результатами новых исследований и объяснил наличие монет в фундаменте тем, что в начале V в. здесь был спрятан клад, о котором впоследствии забыли. С. Лоффреда отметил, что монеты находились в самом нижнем слое фундамента и под сиденьями (слишком глубоко для захоронения клада), и что они были хаотично разбросаны. По мнению С. Лоффреды, монеты были так называемой второй десятиной, которую иудеи, по обычаю, должны были потратить в Иерусалиме во время паломничества по случаю больших религиозных праздников. После разрушения храма исполнять его было уже невозможно, но привычка откладывать эти деньги сохранилась. Их нельзя было тратить ни на какие другие нужды, поэтому иудеи могли закладывать их в основания синагог, что подтверждается и другими археологическими находками, например, в Мероте, Хоразине, Гуш-Халаве. Важную роль в дискуссии о времени постройки синагоги сыграли выводы искусствоведческого анализа её коринфских капителей, каждая из которых оригинальна и не повторяет другую. Г. Блёдхорн и Р. Раф датировали капители двумя периодами – 175–225 гг. и 225–275 гг., но не отрицали возможности перестройки синагоги в V–VI вв., во время которой использовали прежние капители. Мэл Фишер выделил четыре типа капителей, датировал их III – началом IV вв. и отметил некоторые их александрийские и византийские черты. Особенностями коринфских капителей исследователи считают наличие в их декоре иудейских символов (менора, лулав, этрог), отсутствие внутренних завитков, проработка чашечек над кавликулосами с помощью сверла.