Pirmo arheoloģisko izrakumu laikā, 1929. un 1930. gadā, tika pētīta 24 m2 liela platība plakuma vidusdaļā, secinot, ka kultūrslānis pilskalnā ir 1,2 m biezs un apdzīvotība tajā aizsākusies 8. gs. Tas uz ilgu laiku nostiprināja priekšstatu par Grobiņas pilskalnu kā dzelzs laikmeta beigu nocietinātu dzīvesvietu, nereti to datējot ar 9.–13. gs. Tikai 2010.–2011. gadā veiktie ģeofizikālie pētījumi atklāja, ka kultūrslānis pilskalnā ir ne mazāks par 2 m, vietām sasniedzot pat 4 m, un apdzīvotība tajā aizsākusies vismaz 5. gs. No 2016. līdz 2018. gadam Grobiņas pilskalnā, plakuma dienvidu malā, veicot arheoloģiskos izrakumus 32 m2 apmērā, tika atklāts līdz 4,2 m biezs kultūrslānis un liecības par pilskalna izmaiņām gadsimtu gaitā.
Izpētes rezultāti rāda, ka sākotnēji apdzīvotā teritorija bijusi mazāka, – pilskalna plakuma dienvidu mala atradusies vairākus metrus uz ziemeļiem, kur 3,7–4 m dziļumā atklāti 2.–4. gs. pārogļojušos koku slāņi. Tas, vai šie slāņi varētu būt veidojušies cilvēka apzinātas darbības rezultātā, vēl ir pētāms jautājums. Ievērojamie pilskalna paplašināšanas darbi notikuši 1. gadu tūkstoša otrajā pusē. Par to liecina kultūrslānī virs uzbērtās pilskalna dienvidu malas iegūtais 1. gadu tūkstoša otrās puses–2. gadu tūkstoša sākuma senlietu un keramikas materiāls, atklātās celtniecības liecības, kā arī akmeņu krāvums, kas veidots uzbērtās malas nostiprinājumam. Savukārt pilskalna virsējos slāņos atklājās vēsturisko laiku liecības, tostarp no ķieģeļiem un laukakmeņiem celtas ēkas paliekas. Pētnieku uzmanību saistījis arī netipiski zemais un platais pilskalna valnis. 2016. gadā, pāri tam veicot 21 urbumu, noskaidrots, ka sākotnēji valnis bijis šaurāks un augstāks un tajā, iespējams, veidotas arī kādas akmeņu konstrukcijas. Vaļņa izveides laiks pagaidām nav skaidrs, bet tā pārveidojumi, visticamāk, saistāmi ar viduslaiku mūra pils celtniecību.
Grobiņas pilskalns literatūrā pazīstams kā nocietināta kuršu dzīvesvieta. Taču joprojām neatbildēts ir jautājums par tā iedzīvotāju etnokulturālo piederību 7.–9. gs., kad Grobiņas apkārtni apdzīvoja gan kurši, gan skandināvi. Nav arī skaidrs, cik reižu un kā pilskalna dzelzs laikmeta apbūve gājusi bojā un kāda nozīme bijusi atklātajai mūra celtnei.
Paralēli pilskalna izpētei 2016. un 2017. gadā E. Guščikas un A. Šnē vadībā arheoloģiskie izrakumi veikti arī apmetnes teritorijā ap 200 m uz austrumiem no Grobiņas pilskalna. Izpētot 32 m2 platību, tika konstatēts 50 cm biezs kultūrslānis, kura apakšējos slāņos saglabājušies 9.–11. gs. objekti. Savukārt pārjauktos slāņos iegūtās senlietas liecina par iespējamu vietas ilgstošu apdzīvotību jau kopš 1. gadu tūkstoša sākuma. 1950. gadā Pētera Stepiņa un Jāņa Sudmaļa, kā arī 1955. gadā Jolantas Daigas vadībā arheoloģiskie izrakumi veikti arī otrpus Ālandes upes, kur konstatētas 11. gs. liecības. 2010.–2012. gadā I. Virses un R. Rituma vadībā vairākos skatrakumos iegūtie atradumi liecina arī par agrāku kultūrslāni, tomēr Ālandes kreisā krasta apdzīvotības hronoloģija un sasaiste ar pilskalnu vēl ir precizējama.