Von der karolingischen Pfalzanlage im „Franconofurd“ genannten Keller des Stadthauses, zwischen der Schirn Kunsthalle und dem Dom, sind nur wenige, unterschiedlich hohe Mauerreste aus groben Natursteinen erhalten. Sie stammen von den Hauptgebäuden der Pfalzanalage, zu der die zweigeschossige Aula regia (Thronhalle), die Kapelle sowie der lange, zweigeschossige Verbindungsgang zählen. Erhalten sind außerdem Mauern eines römischen Bades aus dem 1. Jahrhundert nach Christus sowie Fundamente mehrerer Militärgebäude. Sie belegen, dass der Ort bereits in römischer Zeit genutzt wurde. Im südlichen Querhaus des heutigen Domes sind Überreste der Salvatorkirche von 852/855 zu erkennen.
Auch Teile des staufischen Saalhofes, der neben der karolingischen Pfalz entstand, haben sich erhalten und werden im Historischen Museum ausgestellt. Hier ist im Untergeschoss noch der originale Boden mit wenigen Ergänzungen zu sehen.

Der linear angeordnete Grundriss erstreckte sich über eine Länge von 117 m. Auf die zweigeschossige Aula regia (Königshalle) mit mehrteiligem Anbau folgte ein langer, zweigeschossiger Gang, der die Aula mit der Kapelle im Osten verband. Die Kapelle diente als Grablege (Sepulkralbau), in der sich ein bi-rituelles Doppelgrab befand. Es bestand aus einem christlichen Mädchengrab und einer heidnisch-skandinavischen Brandbestattung. Über die Rolle des Sakralbaus als Vorgänger des Domes gibt es keine archäologisch gesicherten Belege. Nachgewiesen ist aber, dass der Bau in mehreren Phasen entstand.
Vermutlich gab es für den Herrscher einen eigenen Eingang zur Kirche. Davor befand sich ein Atrium (Innenraum oder -hof), über das man die Aula erreichen konnte. An die Aula schlossen sich weitere Annexbauten (Anbauten an Hauptgebäude) an, die als Vorhalle mit Treppenturm gedeutet werden.
Um 1200 wurde ein staufischer, zweigeschossiger Wohnbau errichtet, an den zur Mainseite hin ein etwa 18 m hoher, dreistöckiger Wohnturm angefügt wurde. Daran schloss sich der sogenannte Saalhof mit der Saalhofkapelle an, dessen Reste im Historischen Museum zu begehen sind.

Entgegen der sonst üblichen Praxis der Staufer, bestehende karolingische Pfalzen wie beispielsweise in Ingelheim auszubauen, wurde in Frankfurt ein Neubau ausgeführt. Die staufische Anlage wurde also nicht auf die karolingische Bausubstanz aufgesetzt, sondern als eigenständiges Gebäude etwas südwestlich errichtet, von wo sie sich in Richtung Main erstreckte. Unter dem heutigen Römerberg wurden die Fundamentreste eines großen Turms mit einem Durchmesser von 21 m und einer Mauerstärke von über 6 m entdeckt. Er könnte eine Höhe von über 40 m erreicht haben und wäre eines der stärksten Bollwerke im Reich gewesen. Es ist jedoch fraglich, ob dieser Turm jemals fertiggestellt wurde. Vermutlich blieb er, wie auch der Turm in Gelnhausen, unvollendet. An den Turm wurde eine Kapelle mit Säulen und unterschiedlichen Kapitellen angebaut. Sie wurde vermutlich für den Hoftag 1208 in raschem Tempo errichtet und sollte zudem die Reichsinsignien verwahren. Die Lage des Palas kann nicht sicher rekonstruiert werden.
Die Entstehung des Saalhofes, des ältesten erhaltenen Gebäudes Frankfurts, kann nicht genau zugeschrieben werden, er könnte in der Regierungszeit Friedrichs II. (1212–1250 römisch-deutscher König, ab 1220 Kaiser) oder Heinrichs VII. (1308–1313 römisch-deutscher König, ab 1312 Kaiser) entstanden sein.

Vom aufgehenden Mauerwerk und der Bauausstattung der karolingischen Pfalz hat sich wenig erhalten. Einen Eindruck ihrer einstigen Größe vermitteln aber die Fundamente, die uneinheitlich aus gelbem und rotem Sandstein und grauem Kalkbruchstein bestehen. Aufgrund des unterschiedlichen Materials liegt die Vermutung nahe, dass die Fassade verputzt wurde.

Bekannt ist, dass die Pfalzanalage durch einen Brand zerstört wurde. Eine Datierung kann jedoch nicht vorgenommen werden. Ebenso zeitlich nicht festzulegen ist der Beginn der bürgerlichen Bebauung des Pfalzareals, die mit dem Abbruch von Baumaterial einherging. Diese Neubesiedelung wird für das Spätmittelalter angenommen.

1829 wurde die erste Bodenöffnung nördlich des Doms durchgeführt. Der Standort der Frankfurter Pfalz blieb jedoch lange Zeit unbekannt und wurde erst nach dem Zweiten Weltkrieg entdeckt, nachdem die zerstörte Altstadt den Boden freigab. In den 1950er und 1960er Jahren schlossen sich weitere Grabungsphasen an. Das so freigelegte Mauerwerk wurde seit den 1970er Jahren im „Archäologischen Garten“ präsentiert. Seit der Neubebauung des Römerbergs sind die Baureste im Untergeschoss des Stadthauses ausgestellt. In den 1990er Jahren wurde bei archäologischen Grabungen ein unter dem Dom liegendes merowingerzeitliches Mädchengrab entdeckt. Die reiche Schmuckausstattung entspricht einer wohlhabenden Familie und legt die Vermutung nahe, dass der Ort schon vor der Erstnennung 794 bedeutend gewesen sein muss.
Die Datierung der Pfalz kann recht sicher in die Mitte des 9. Jahrhunderts gelegt werden.
Die Pfalzanlage könnte sich an eine ältere, merowingerzeitliche Architektur angeschlossen haben. Da sich Karl der Große 793/794 hier aufgehalten hat, ist vielleicht ein frühkarolingischer Pfalzbau anzunehmen, dessen archäologischer Nachweis jedoch noch nicht gelungen ist. Während eines Winteraufenthaltes Ludwigs des Frommen (781–840; ab 814 römisch-deutscher Kaiser) 822/823 sind laut Schriftquellen neue Gebäude errichtet worden.