W badaniach zastosowano najnowocześniejsze metody prospekcji i dokumentacji. Sporządzono profil georadarowy gruntu pod posadzką Katedry - dzięki temu uzyskano obraz zarysu wszystkich wkopów ziemnych, jakie tam się znajdują. Wykonano także superdokładny, trójwymiarowy przekrój katedry.

W ciągu dwóch kolejnych sezonów badawczych (2004, 2005) przebadano łącznie trzynaście grobów. Znajdowały się one na niewielkiej powierzchni; w kilku wypadkach późniejsze wykopy uszkodziły znajdujące się w tym samym miejscu wcześniejsze pochówki. Szczególną uwagę badaczy zwrócił grób nr 13. Mimo, że był najbardziej zniszczony, a ze szkieletu pozostały luźno rozsypane kości, jednak wewnątrz zarysu trumny odkryto czaszkę należącą do mężczyzny zmarłego w wieku ok. 60-70 lat.

Znaleziona czaszka została przekazana do Centralnego Laboratorium Kryminalistycznego Komendy Głównej Policji w Warszawie, w celu odtworzenia wyglądu twarzy zmarłego na podstawie zachowanych kości czaszki. Taka rekonstrukcja została porównana z zachowanymi portretami Mikołaja Kopernika. Zgodność rekonstrukcji z obrazami z epoki mogłaby więc poświadczyć odkrycie grobu wielkiego astronoma. Aby uniknąć zasugerowania, oficer dokonujący rekonstrukcji nie został wtajemniczony w szczegóły dotyczące badania.

Ważną wskazówką była widoczna na czaszce nad prawym oczodołem podwójna pionowa szrama - zapewne ślad rany ciętej. Zachowany portret astronoma zdradza podobną cechę. Zarówno na zachowanych portretach, jak i na badanej czaszce widoczna była deformacja nosa odchylonego w lewą stronę co musiało być spowodowane doznanym w wieku dziecięcym urazem, który doprowadził do asymetrii czaszki.

Dzięki tej wiedzy archeolodzy i antropolodzy wyrazili przekonanie, iż badana czaszka z wysokim prawdopodobieństwem jest czaszką Mikołaja Kopernika. Dokonanie ostatecznej identyfikacji przy pomocy kodu genetycznego pozwoliłoby na uzyskanie 100 procentowej pewności. Założono, że DNA zostanie pobrane od zmarłych lub żywych krewnych Mikołaja Kopernika. Wymagało to jednak znacznych środków finansowych, których zespół prof. Gąssowskiego nie posiadał.

Dalsze prace stały się możliwe dzięki Fundacji Citi Handlowy im. Leopolda Kronenberga, która podjęła się finansowania badań. Ruszyły one ponownie w roku 2006. W pierwszej kolejności starano się uzyskać kod genetyczny DNA z czaszki i kości długich pochówku odkrytego w 2005 roku we Fromborku. Badania przeprowadzone zostały w Muzeum i Instytucie Zoologii PAN w Warszawie oraz w Pracowni Genetyki Sądowej Instytutu Ekspertyz Sądowych w Krakowie.

W tym samym czasie zespół z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu prowadził badania mające na celu odszukanie potomków siostry lub ciotki Mikołaja Kopernika dla pozyskania od nich kodu genetycznego DNA dla celów porównawczych. Jak dotychczas badania te nie zakończyły się sukcesem.

Przełom nastąpił w październiku 2006 roku, przy okazji dni polskich w Szwecji. W Uppsali zaprezentowane zostały dotychczasowe odkrycia i wiedza na temat identyfikacji pośmiertnych szczątków Mikołaja Kopernika. Miejsce prezentacji nie było przypadkowe. W zbiorach biblioteki uniwersyteckiej Carolina Rediviva w Uppsali znajduje się księgozbiór astronoma, wywieziony w roku 1626 z Fromborka do Szwecji jako łup wojenny. Astronom, profesor dr Göran Henriksson przejrzał wszystkie księgi, którymi mógł posługiwać się Kopernik, znajdujące się obecnie w zbiorach w Uppsali.

Prof. Henriksson uznal, że materialu biologicznego Kopernika należy szukać w Calendarium Romanum Magnum, autorstwa Johannesa Stoefflera z 1518 roku - ksiażki która Kopernik używał przez dlugie lata. W Calendarium znaleziono wlosy, które zbadala prof. Marie Allen z Laboratorium Rudbeck, Wydział Genetyki i Patologii Uniwersytetu w Uppsali.

Podjęła ona próbę odczytania kodu genetycznego z zachowanych włosów. Uzyskane w ten sposób sekwencje DNA porównano następnie do sekwencji DNA charakterystycznych dla zęba oraz fragmentów kości odkrytych w 2005 r. we Fromborku. Uzyskany wynik był pozytywny i potwierdził wcześniejsze przypuszczenia prof. Jerzego Gąssowskiego, że w grobie w katedrze we Fromborku spoczywa polski astronom - Mikołaj Kopernik.