大廟的發掘曆史並不長。1978年 2月21日深夜，在墨西哥城憲法廣場大教堂後麵的烏拉圭街的街口， 電力公司的一群工人在揮舞著鎬頭和鐵鏟，挖掘一條埋電纜的土溝。突然一個工人挖出一個石頭雕成的頭像，工人們第二天一早便報告了曆史和人類學研究所。專家們聞訊趕到現場，經過七天小心翼翼地發掘，終於挖出了一塊半橢圓形的石雕，上麵刻著一位女神，但已身首分離、肢體破損。女神頭戴大頂羽冠，腰束長蛇帶，頭顱上吊著一串小鈴鐺。經考古專家鑒定，這就是阿茲特克人神話中的月亮女神科約爾薩烏基像。月亮女神的發掘，說明史書上記載的大廟就在附近。
傳說古時候天地和生死女神科亞特裏科埃有一天在科亞特佩克山清掃寺廟時，拾到幾根美麗的羽毛，就把羽毛藏在懷裏，不料，竟因此懷了孕。聽至這一消息，她的女兒月亮女神科約爾薩烏基和400個兒子即400個蘇裏亞諾星神怒氣衝天，認為母親犯下了不貞之罪，玷汙了他們的名譽。於是，一致決定要殺害她。天地和生死女神知道後，十分害怕。這時，她懷的孩子維奇洛波奇特列戰神兼太陽神出世，他手持一條火蛇，憤怒地衝向月亮女神，砍下了她的頭，並將屍體拋下去。接著，又趕走了400個蘇裏亞諾星神。阿茲特克人就是在這一神話的啟示下，修建了特諾奇蒂特蘭城的大廟，每年舉行宗教儀式，殺生祭祀。
大廟最早建於公元1330～1340年。為防止水澇，大廟不斷擴建升高，在原先的廟宇基礎上，重建更大的廟宇。大廟廟上有廟，共重疊有七層。每層廟宇都有水土神特拉洛克的祭壇。
整座大廟呈金字塔形，建築的底部幾乎呈正方形，它的邊長有80米，最高點距地有30米。大廟西麵，有兩座並列的階梯，從其中任何一座都可攀上一座有113級階梯的陡峭台階，然後從那兒就可以到達大廟的最高點。在大廟的最高點，建有兩座神龕，一座供奉著城神威特西洛包切特利，另一座供奉著水土神特拉洛克。大廟的祠堂前麵，是一塊麵積為440平方米的空地，在此處舉行過許多宗教儀式，如活人祭祀等。整個大廟除了一些供品櫃以外都是實心的。這種不建內室的方案簡化了整個大廟的設計和建築，阿茲特克的工程師極具創新精神，他們在磚石建築和石像雕刻方麵達到了驚人的精確。沒有有效的金屬切割工具，他們就用更堅硬的石頭做成工具進行切割，並用繩子、水和沙子對材料進行鋸磨。當時墨西哥還沒有四輪工具，也沒有馱畜，阿茲特克人用人和小船來運送建築材料。至於大廟的顏色，和其他阿茲特克的廟宇一樣，都被塗上了明亮的顏色。
對大廟最深的挖掘到達了大廟二代，在它上方是幸存下來的雙神龕的牆基，大廟二代的建築可以溯到特諾奇蒂特蘭城顯赫王朝建立的初期。為了向世人昭示王朝經由神權授予的統治權，人們在原先脆弱的大廟一代上又砌上了一層巨石並粉刷上灰泥。當時特諾奇蒂特蘭城還得向另一個城市進貢，後來它在約1431年打敗了那個城市，各地轉而向特諾奇蒂特蘭城進貢。從那以後，特諾奇蒂特蘭城的勢力越來越大，開始命令各屬地進貢木材、石料、石灰和勞動力，以表達他們對特諾奇蒂特蘭城和諸神的敬意。為了紀念這一意義重大的事件，當時的統治者對大廟進行了第二次擴建，結果形成了大廟三代。15世紀 50年代，特諾奇蒂特蘭城遭遇水災和饑荒，統治者免除了屬地的進貢義務，並打開糧倉賑災。作為對統治者慷慨解救的報答，各屬地紛紛幫助修建宮殿和廟宇。約在 1454年後建成的大廟四代，可能就是這些公共工程的產物。大廟發掘出的最引人注目的祭品之一，是一組幾乎與真人一樣大小的掌旗官的雕像。它們斜靠著大廟三代台階上，被大廟四代的填料泥漿和石塊所覆蓋。第四代大廟指的是大廟西麵的修築部分，還包括科約兒哈烏基雕像。第五代大廟建於15世紀80年代早期，其遺址難尋。第六代大廟可能建於1487年，它的落成儀式上共有8萬人作為犧牲品死於塔頂的祭壇上。