Pirmos nelielos pārbaudes izrakumus pilskalnā jau 1884. gadā veica G. Fīrhufs, kurš atsedza 13. gs. sākumā būvētā aizsargmūra paliekas. Nelielus amatierizrakumus pilskalnā 20. gs. 20. gadu sākumā veicis skolotājs Kārlis Ašmanis. Plašākie pētījumi pilskalnā veikti 1980. gadā arheologa Jāņa Apala un 2009. un 2010. gadā arheoloģes Zigrīdas Apalas (2010. gadā kopā ar arheologu Oskaru Ušpeli) vadībā; arheoloģiskās uzraudzības darbi Z. Apalas vadībā veikti arī 2011. gadā. Kopumā izpētīta aptuveni 700 m2 liela teritorija. Visplašāk izpētīts pilskalna ziemeļu gals, tāpat izsekots aizsargmūrim gar pilskalna plakuma rietumu un dienvidu malu. Izpētes tranšeja izrakta visā pilskalna austrumu nogāzes augstumā tagadējās uzejas vietā, un atsevišķi izrakumu laukumi izpētīti arī plakuma austrumu un centrālajā daļā.
Riekstu kalna apdzīvotībā izdalāmi četri posmi, taču tikai par trim no tiem liecina identificējami kultūrslāņa horizonti. Senākās liecības par apdzīvotību Riekstu kalnā saistāmas ar 1.–6. gs., ar šo laiku datējamas vēlās tekstilās keramikas lausku atradumi kultūrslāņa zemākajā horizontā tuvu senās augsnes virsmai. Izrakumos līdz šim nav atrastas citas ar šo laiku saistāmas liecības, tāpēc nevar spriest par to, vai kalns šajā laikā jau bijis nocietināts.
Hronoloģiski otrais apdzīvotības posms (zemākais, 3. stratigrāfiskais kultūrslāņa horizonts) saistāms ar vendu apmešanos Riekstu kalnā un nocietinājumu izbūvi vēlā dzelzs laikmeta otrajā pusē 11.–12. gs. Šo slāni raksturo agrās ripas keramikas (ap 74 %), kā arī bezripas gludās un apmestās keramikas lauskas, ikdienas darbarīki, atsevišķi ieroči un vendiem raksturīgu bronzas rotaslietu atradumi. Izrakumu laikā šajā slānī fiksētas piecu ēku paliekas, kuru izvietojums liecina par to, ka pilskalnā pastāvējusi perimetriāli veidota apbūve, kur ēkas izvietotas gar plakuma malu pie nocietinājumiem. Vienā no ēkām fiksēts labi saglabājies liels (2,2 x 2,2 m, 0,5 m dziļš) pavards ar māla oderējumu. Pavarda konstrukcijā fiksēti vairāki būves ziedojumi – divi dzelzs naži, divas bronzas lentveida aproces un dzīvnieka kakla skriemeļi. Līdzās ēkām cietajā smilšakmens iezī bijusi ierakta 3 m dziļa, ar sārtā dolomīta plāksnēm izlikta piltuvveida aka, kas funkcionējusi kā ūdenskrātuve, savācot plakuma dabiski zemākajā ziemeļu galā notekošo, caur smilšakmens slāni izfiltrēto lietusūdeni. Ar šī laikmeta apdzīvotību pilskalnā saistāms netālais Cēsu dzelzceļa stacijas vendu kapulauks.
Izrakumu laikā fiksētas arī vairākas norādes par šim periodam atbilstošiem nocietinājumiem. Plakuma malā divās vietās fiksētas 13. gs. norakta vaļņa paliekas ar akmeņu sakrāvumu tā pamatnē. Austrumu nogāzē izraktajā tranšejā zem 1,5-2,5 m bieza, no plakuma nākuša kultūrslāņa apbēruma slāņa atsegtas divas nocietinājumu terases, kuru malās atradies koka stabu statņos liktu guļkoku nožogojums. Izrakumos noskaidrots, ka mūsdienās redzamās terases gar pilskalna pamatni un E. Brastiņa fiksētais it kā valnis pilskalna dienvidu pakājē ir modernas izcelsmes un nav saistāms ar pilskalna nocietinājumu sistēmu.
Trešais apdzīvotības posms (2. kultūrslāņa horizonts) saistāms ar 13. gs., kad pilskalns tika papildus nocietināts ar krustnešu uzbūvēto mūra aizsargsienu. Aizsargmūra konfigurācija atbilst pilskalna plakuma malas dabiskajam reljefam. Līdz šim arheoloģiskās izpētes laikā tā izsekota 105 m garumā gar visu pilskalna ziemeļu, rietumu un dienvidu malu. Čaulmūra tehnikā veidotais 1,5–1,7 m biezais mūris vēlākos gadsimtos nojaukts un saglabājies zem zemes dažādā augstumā – no dažiem tā vietu iezīmējošiem akmeņiem līdz pat 2,15 m augstumam pilskalna dienvidu galā. Aizsargmūris nav bijis izbūvēts pilskalna austrumu pusē pret Cēsu mūra pili – iespējams, tas nav darīts militāru apsvērumu dēļ. 13. gs. slānī fiksētas liecības par 3–4 ēkām, taču liecības ir ļoti fragmentāras un traucētas. Tāpat ar plienakmeņiem izmūrēta jau senāk iekārtotās akas piltuve. Par apdzīvotību šajā posmā liecina ripas keramikas atradumi, dzelzs būvdetaļas un darbarīki, bronzas rotas un arī dažādi ieroči – arbaleta bultu un metamo šķēpu uzgaļi, zirglietas, bruņu plāksnītes fragments. Šī slāņa atradumi apliecina pilskalna pastāvīgu apdzīvotību līdz 13. gs. beigām, iespējams, arī 14. gs. sākumā.
Ceturtais pilskalna izmantošanas posms (1. kultūrslāņa horizonts) saistāms ar 14.–17. gs., kad senais pilskalns funkcionēja kā Cēsu mūra pils aizsardzības sistēmas sastāvdaļa, bet tam vairs nebija pastāvīgas dzīvesvietas un neatkarīga nocietinājuma funkcijas. Pēc izrakumu veicēju vērtējuma, šajā laikā 13. gs. uzbūvētais aizsargmūris ticis nojaukts. Uz šo posmu tiek attiecinātas kādas mūra celtnes paliekas pie pilskalna plakuma rietumu malas un visu plakumu klājošais dolomīta šķembu un smalku būvgružu slānis ar dažādiem viduslaiku un agro jauno laiku periodam raksturīgiem savrupatradumiem. Jautājums par Riekstu kalna nozīmi Cēsu mūra pils aizsardzības sistēmā vēl aizvien nav atbildēts.