Grodzisko, składające się z trzech autonomicznych członów, położone jest na lessowych cyplach, umiejscowionych na krawędzi płaskowyżu, górującej około 20 m nad doliną Wisły (lewy brzeg). Główny człon grodu znajdował się na wypłaszczeniu szczytowym Wzgórza Zamkowego (163,6 m n.p.m.) o wymiarach 60 x 50 m (około 0,2 ha powierzchni). Skarpy wzgórza są strome (poza stroną N wzgórza, przekształconą wtórnie w okresie nowożytnym), ich nachylenie dochodzi do 50º. Plateau wzgórza jest prawie płaskie, wały wczesnośredniowiecznego grodu nie są obecnie widoczne na powierzchni gruntu (relikty podwójnej linii wałów odkryto w trakcie badań skarpy W wzgórza). Wewnętrzny wał grodu biegł pierwotnie po linii górnej krawędzi skarpy, na której umieszczone zostały później zabudowania i mury obwodowe zamku królewskiego. Do podstawy S wzgórza przylega starorzecze Wisły. Pierwsze podgrodzie znajdowało się na Wzgórzu Katedralnym, oddzielonym od Wzgórza Zamkowego obniżeniem o szerokości ponad 20 m. Wypłaszczenie szczytowe wzgórza (175,2 m n.p.m.) opada łagodnie w kierunku SW. Pierwotne wymiary owalnego podgrodzia wynosiły zapewne 75 x 60 m (0,35 ha powierzchni). Nachylenie skarp wzgórza wynosi 40º-75º, od strony wzgórza Collegium Gostomianum (NNE) widoczne jest jedynie niewielkie, łagodne obniżenie terenu. Dokładny przebieg wczesnośredniowiecznego wału nie jest znany, jego fragment uchwycono jedynie od strony N wzgórza (czyli od strony późniejszego miasta lokacyjnego), przed nim pierwotnie musiała znajdować się fosa, ponieważ stopa wału w tym miejscu zalegała około 12 m poniżej obecnego poziomu gruntu. Prawdopodobnie w miejscu istniejącej do dzisiaj gotyckiej kolegiaty wzniesiono tu w końcu XII w. kościół pod wezw. NP. Marii (jego reliktów nie udało się dotychczas odkryć). Drugie podgrodzie znajdowało się na wzgórzu Collegium Gostomianum, oddzielonym niewielkim obniżeniem o szerokości 15-20 m od Wzgórza Katedralnego. Wzgórze to zostało poważnie przekształcone w okresie nowożytnym, w związku z czym trudno dokładnie określić jego pierwotny kształt. Obecnie wypłaszczenie szczytowe wzgórza ma kształt rombu o powierzchni 0,15 ha (179,0-174,5 m n.p.m.). Nachylenie skarp wzgórza wynosi około 35º, plateau wyniesione jest około 30 m ponad dno doliny Wisły. Od strony NW (późniejszego miasta lokacyjnego) we wczesnym średniowieczu znajdował się najprawdopodobniej głęboki na ponad 8 m jar. Wał tego członu grodziska nie jest widoczny w terenie, natrafiono jedynie w partii NE wzgórza na rów interpretowany jako pozostałość palisady, zaś w partii E wzgórza na niewielki płat warstwy kulturowej, interpretowanej jako pozostałość wału drewniano-ziemnego. Na terenie tego podgrodzia znajdować się miał pierwotnie kościół romański (z XI w. ?) pod wezw. Św. Piotra, jednak w trakcie wykopalisk natrafiono jedynie na pozostałości kościoła gotyckiego. Ostatnio M. Florek (2005) zgłosił ponownie przypuszczenie, iż najstarszym grodem (powstałym jeszcze przed końcem X w.) był obiekt na wzgórzu Collegium Gostomianum. Jego zdaniem gród na Wzgórzu Zamkowym i Wzgórzu Katedralnym to obiekt późny, powstały dopiero w XII w. M. Florek uważa, iż pierwotnie Wzgórze Zamkowe i Wzgórze Katedralne stanowiły całość i były otoczone pojedynczą linią wału. Rozdzielający obecnie te dwa cyple jar powstać miał dopiero w okresie budowy średniowiecznego zamku. Z tezą o najstarszym grodzie w Sandomierzu na wzgórzu Collegium Gostomianum polemizuje A. Buko (2006B), z którego argumentacją odnośnie do tego zagadnienia należy się zgodzić. 

Stratygrafia: Badania na dziedzińcu Wzgórza Zamkowego (główny człon grodu) ujawniły absencję zachowanych in situ warstw wczesnośredniowiecznych w rozbudowanym układzie pionowym. Wynika to z przeprowadzonych w tym rejonie wielokrotnych niwelacji, które spowodowały zniszczenie ewentualnych wczesnośredniowiecznych nawarstwień. Zachowały się jedynie obiekty wkopane w calec, interpretowane jako jamy zasobowe lub piwniczki domostw naziemnych. W centralnej partii majdanu odkryto tzw. mur 10 (działka 55C, mur kamienny z elementami ceglanymi) o nieznanej funkcji, wiązany z wczesnośredniowieczną fazą zasiedlenia wzgórza.  Badania przeprowadzone na zachodniej skarpie Wzgórza Zamkowego ujawniły, iż przed budową tu wału, określonego jako rusztowo-skrzyniowy, funkcjonował tu w 1. połowie XII w. (być może w jego 2 ćwierci) piec garncarski, wkopany w zewnętrzny stok wzgórza. Po zniszczeniu pieca wzniesiono tu w ciągu XII w. wspomniany wał, naprawiony i rozbudowany około połowy XIII w. Wielokrotne niwelacje Wzgórza Katedralnego (pierwsze podgrodzie) doprowadziły do prawie całkowitego zniszczenia warstw i obiektów wczesnośredniowiecznych (pojedyncze obiekty odkrywane były już w górnych partiach stoków wzgórza). W trakcie badań sondażowych odsłonięto niewielkie fragmenty drewniano-ziemnego wału otaczającego to podgrodzie, niestety nie rozpoznano dostatecznie tej konstrukcji, w związku z czym nie znamy liczby faz jej budowy. Skomplikowany układ wczesnośredniowiecznych nawarstwień i obiektów odkryto w trakcie badań prowadzonych na wzgórzu Collegium Gostomianum (drugie podgrodzie). Z najstarszą faza osadnictwa (datowaną na 2. połowę X-XI w.) wiązała się domniemana palisada (rodzaj fortyfikacji lub wzmocnienia górnej krawędzi stoku wzgórza) i kilkanaście jam zasobowych i domniemanych piwniczek, które miały być pozostałościami naziemnych, drewnianych budynków mieszkalnych. Nie jest jasna pozycja stratygraficzna czworokątnego wkopu i słupa, które miały być pozostałością bramy w wale. Były to obiekty młodsze od domniemanego rowu palisady, lecz nie jest jasne, czy były współczesne drugiej fazie wału, powstałego w XII w. (tzw. rusztowo-skrzyniowego), którego domniemany, niewielki relikt odkryto w trakcie badań. Również w ciągu XII w. miał zostać zbudowany kościół pod wezw. Św. Piotra (detale zapewne z tej budowli zostały wtórnie użyte przy budowie wczesnogotyckiej fazy tej świątyni). Kwestia realnego istnienia domniemanej, starszej fazy świątyni romańskiej z 2. połowy X-XI w. (rotundy) nie została jak dotąd pozytywnie zweryfikowana w trakcie badań wykopaliskowych. Również w XII w. rozpoczęto użytkowanie cmentarzyska szkieletowego w badanym rejonie Collegium Gostomianum, co pośrednio może potwierdzać hipotezę o funkcjonowaniu tu już w XII w romańskiej fazy kościoła.

Typ umocnień: W trakcie badań zachodniej skarpy Wzgórza Zamkowego odkryto pozostałości zbudowanego w ciągu XII w. wału drewniano-ziemnego. Wał ten nie został posadowiony na poziomie wypłaszczenia szczytowego wzgórza, przy linii jego górnej krawędzi, lecz na stoku wzgórza. Stok został przygotowany pod budowę tej solidnej konstrukcji poprzez wydrążenie w nim kilku zbliżonych do poziomu tarasów-stopni o szerokości 1,5 – 8 m (najszerszy był położony w dolnej partii stoku wzgórza). Ich zadaniem było zapewnienie właściwej statyki wznoszonej konstrukcji. Technikę budowy wału autorzy badań określili jako rusztowo-skrzyniową. Najprawdopodobniej mamy tu do czynienia z zauważalnym w układzie bierwion podziałem korpusu wału w trakcie jego budowy, być może związanym z jego wznoszeniem etapami, lub rozpoznaną w niektórych wałach wczesnopiastowskich grodów w Wielkopolsce metodą budowy „gniazdowej” (budowa poszczególnych segmentów wału od spągu po koronę przez jedną ekipę budowniczych). Szerokość korpusu wału w najszerszym miejscu przekraczała 8 m, zaś wysokość korpusu od poziomu najniższego tarasu na stoku wzgórza aż do jego szczytowego plateau wynosiła około 8 m (wał musiał posiadać przedpiersie, sięgające co najmniej 2 m wyżej). Należy podkreślić, iż wewnętrzne partie korpusu wału opierały się o skośną powierzchnię stoku wzgórza, stabilizując ją i zabezpieczając przed obsuwaniem się. Najprawdopodobniej również ściana zewnętrzna wału była odchylona od pionu, co zwiększało jej stabilność. W sumie technikę tego wału można zaklasyfikować jako specyficzną odmianę konstrukcji przekładkowej, najprawdopodobniej tzw. jednostosowej (typ WIIIA4). Nie wiadomo dokładnie, czy była to przekładka jedno- lub dwustronna (układ śladów po zbutwiałych belkach wskazuje, iż ta druga możliwość jest bardziej prawdopodobna). Wał ten został zniszczony w połowie XIII w. (być może w trakcie pierwszego najazdu tatarskiego w 1241 r.). Około połowy XIII w. wał ten wzmocniono i nadbudowano. W tym samym czasie dodano do niego od zewnątrz przedwale w formie ziemnego szańca z nachyloną na zewnątrz palisadą (wysokość wału wynosiła do 5 m, szerokość ponad 6 m). Przed wałem głównym i przedwalem znajdowały się „suche” fosy, w formie nieckowatych w przekroju rowów (fosa przed głównym wałem miała szerokość 2,5 m i głębokości do 5 m). W okolicach tzw. Sufraganówki na Wzgórzu Katedralnym (część N pierwszego podgrodzia) odsłonięto lessowy korpus wału o zachowanej miąższości do 3 m, na szczycie którego zalegały warstewki zawierające silnie zwęglone reszki drewna. Brak informacji na temat wymiarów tego wału, jak i dostatecznie przekonywujących dowodów, iż istotnie drewniana konstrukcja na stropie ziemnego korpusie wału miała pierwotnie formę skrzyń. A. Buko sądzi, iż wał ten mógł funkcjonować w tym samym okresie, co wał odsłonięty w trakcie badań skarpy W Wzgórza Zamkowego. Pojedynczy rząd palisady miał stanowić pierwszą fazę umocnień drugiego podgrodzia (na wzgórzu Collegium Gostomianum), datowaną orientacyjnie na 2. połowę X - XI/XII w. (Tabaczyńska 1996, 106-107). W tym przypadku interpretacja odsłoniętych w części E plateau wzgórza reliktów palisady budzi bardzo poważne wątpliwości. Nie chodzi tu przy tym o brak jakichkolwiek śladów po słupach palisady w rowie, w który miały być one wkopane. Z takim stopniem destrukcji elementów drewnianych mamy niekiedy do czynienia. Niepokojący jest kształt w przekroju pionowym owego rowu – trójkątny, o szerokości około 1,5 m u góry. Ten kształt rowu pod palisadę byłby może do pewnego stopnia zrozumiały w przypadku piaszczystego podłoża, ale nie w przypadku lessu. Wykonanie rowu o takim przekroju było właściwie niezrozumiałe, gdyż w sposób istotny pogarszało to statykę domniemanej palisady. Na inną od rekonstruowanej funkcję wspomnianego obiektu wskazuje też jego silnie laminowane w układzie poziomym wypełnisko. Należy wspomnieć, iż A. Buko (1998, 58) domniemaną palisadę interpretował nie jako fortyfikację, lecz rodzaj zabezpieczenia lessowej skarpy wzgórza przed osuwaniem się, co przy kształcie rowu pod palisadę byłoby jednak mało skuteczne. W tej sytuacji palisadę z Sandomierza należy umieścić w zbiorze obiektów domniemanych. W rów domniemanej palisady, już po jej zniszczeniu, wkopany został potężny słup (o średnicy 40 cm), wraz z prostokątnym, częściowo odsłoniętym wkopem interpretowany przez autorkę badań jako pozostałość konstrukcji bramy. Brak bliższych szczegółów, dotyczących domniemanej bramy. Okres jej funkcjonowania był zapewne tożsamy z okresem funkcjonowania młodszej linii umocnień, otaczających wzgórze Collegium Gostomianum. Płat laminowanej poziomo warstwy kulturowej (miąższości około 1 m), interpretowany jako pozostałość młodszego wału, zbudowanego w technice „rusztowo-skrzyniowej”, odkryto w części E plateau wzgórza, 10 m na S od rowu domniemanej palisady. Ze względu na silne rozłożenie drewna w warstwie brak możliwości oceny poprawności jej interpretacji jako pozostałości wału, a tym bardziej trafności zaproponowanej rekonstrukcji techniki jego budowy. Domniemany młodszy wał miał powstać na przełomie XI i XII w.

Zabudowa: Liczne, następujące od XIV w. niwelacje Wzgórza Zamkowego i Wzgórza Katedralnego spowodowały, iż w trakcie prowadzonych na ich terenie badań odkryto jedynie jamy zasobowe, paleniska i ewentualne piwniczki domostw naziemnych. Opis najazdu tatarskiego w 1259/60 r. zawarty w Latopisie halicko-wołyńskim (Kroniki staroruskie 1987, 244) wskazuje, iż na terenie grodu obok kamiennego kościoła funkcjonowały „szałasy słomą pokryte” (półziemianki ?). Na dziedzińcu Wzgórza Zamkowego (majdan głównego członu grodu) odkryto kilka grobów (XII-poł. XIII w.), zapewne w ich sąsiedztwie istniał współczesny temu cmentarzysku kościół pod wezw. Św. Mikołaja. W trakcie badań prowadzonych na wzgórzu Collegium Gostomianum (drugie podgrodzie) natrafiono na pozostałości osadnictwa z końca X-XI w., w postaci reliktów licznych (24) jam zasobowych i piwniczek. W centralnej partii wzgórza miał w XI w. istnieć budynek drewniany w postaci częściowo zagłębionej w ziemię wieży mieszkalnej o wymiarach 5 x 5,5 m (interpretacja ta wzbudza kontrowersje, sugeruje się, że obiekt ten to pozostałość mieszkalnej ziemianki, zob. Rysiewski 2000, 562-563). Na podstawie lokalizacji jam zasobowych i domniemanych piwniczek naziemnych domostw autorka badań, E. Tabaczyńska stwierdziła, że w XI w zabudowa między partią W wału tego podgrodzia, a domniemaną wieżą mieszkalną, układała się w postaci dwóch równoległych do siebie rzędów domostw, rozdzielonych pasem niezabudowanego terenu o szerokości 8 m (miała tam przebiegać ulica). Zdaniem niektórych autorów (Rysiewscy 1996, 459-468; Rysiewski 2000, 564) już w tej fazie istnieć miał w zachodniej części wzgórza kościół pod wezw. Św. Piotra, mający formę rotundy (nie natrafiono na zachowane in situ pozostałości tej fazy świątyni). W początkach XII w. nastąpiła generalna przebudowa obwałowań głównego członu grodu (Wzgórze Zamkowe), wokół którego wzniesiono wał przekładkowy. Prawdopodobnie w 1241 r., podczas pierwszego najazdu tatarskiego na Polskę, wał ten został częściowo zniszczony. Jego odbudowa wiązała się z wykonaniem dodatkowej linii przedwala, poprzedzonego fosą. Również w początkach XII w. wzgórze Collegium Gostomianum otoczono nową linią wału. W tym stuleciu przebudowie miał również ulec domniemany XI-wieczny kościół pod wezw. Św. Piotra. Również w przypadku tej fazy świątyni w trakcie wykopalisk nie natrafiono na jej zachowane in situ relikty, chociaż w fundamentach gotyckiej fazy świątyni odkryto kilka kamiennych detali romańskich (niektóre z nich nosiły śladu działania ognia, co może tłumaczyć przyczyny rozebrania murów tej fazy kościoła). Wokół domniemanego kościoła założono w XII w. cmentarz, który funkcjonował w tym miejscu do czasów nowożytnych (z wczesnośredniowieczną fazą użytkowania nekropolii związane były 93 pochówki).

Pierwsza faza funkcjonowania grodu trwa do schyłku XI lub przełomu XI i XII w. W tym czasie główny człon grodu (Wzgórze Zamkowe) otoczony był wałem, którego relikty mają się znajdować pod zachodnim skrzydłem zamku (nie zostały dotychczas odsłonięte). W tym czasie wzgórze Collegium Gostomianum miała otaczać palisada. Obwałowania pierwszego podgrodzia (Wzgórze Katedralne) nie zostały dostatecznie rozpoznane. Druga faza funkcjonowania grodu związana była z budową nowych obwałowań wokół głównego członu grodu (Wzgórze Zamkowe) i drugiego podgrodzia (wzgórze Collegium Gostomianum). Miało to miejsce w początkach (1. połowie) XII w. Trzecią fazę wyznacza moment naprawy obwałowań głównego członu grodu, przypadający na około połowę XIII w.