Během rekonstrukce muzejního kostela na Sokolské ulici proběhl také archeologický výzkum vedený archeologem Muzea regionu Valašsko Samuelem Španihelem.

Výzkum byl rozdělen na etapy, které kopírovaly jednotlivé stavební práce. První proběhla během výměny spodních trámů roubených zdí dřevěné části. Byly zde odkryty kamenné základy, na kterých stála opravovaná konstrukce. Tyto základy nebyly nalezeny pod celou dřevěnou částí, jak by se dalo očekávat, ale jenom na několika exponovaných místech. V rozích západní zdi, tedy původního průčelí, se nacházely "patky" v podobě písmena "L". Pod jednotlivými vchody a v místě připojení na zděnou část zase rovné v podobě písmena "I". Technicky šlo o bloky sestavené z plochých kamenů, které byly nejčastěji kladeny na sucho, jen místy byly spojeny maltou.

V rámci prací druhé etapy byla západně od sakristie nalezena podzemní cihlová krypta. Tato stavba se skládala ze dvou kompletně vyzděných hrobů. Konstrukčně byly hroby velice podobné, největší rozdíl byl ve velikosti a kvalitě použitých cihel. Ze stavebních prvků se odlišovala jenom dna. V starším hrobě bylo dno vyskládané z cihel, ale v mladším byly použity kamenné desky. Jednotlivé hroby byly zaklenuty valenou klenbou, přičemž jako vnitřní patka byla použita vrchní hrana zdi dělící oba hroby. Konstrukce klenby se však zachovala pouze částečně a jenom ve východní části krypty. Zdá se tedy, že krypta vznikla ve dvou etapách – nejdřív byl vybudován hrob, nacházející se dnes na jižní straně hrobky. Následně, pravděpodobně po delším časovém úseku, byl dostavěn druhý hrob. Společně s ním bylo vybudované i zastřešení hrobů formou dvou spojených kleneb, typologicky označovaných jako kobylí hlava. Vzhledem k úplné absenci těl a průvodních předmětů pravděpodobně nebude možné identifikovat majitele, nebo stavitele krypty.

Během poslední stavebné fáze, kdy probíhala skrývka terénu, byl na jižní straně kostela jenom několik centimetrů pod povrchem objeven fragment barokního pískovcového náhrobku. Jde o sekundárně uložený zlomek, hrob se totiž pod ním nenacházel. Na místě nálezu bylo v blízkosti hlavní části náhrobku rozeseto dalších několik desítek drobných úlomků. Německý nápis je možné volně přeložit v následovné podobě: „V roce 1779 dne … v červnu zemřel Josef…“. Bližší informace k zesnulému možná přináší matriční zápis ze stejného období, kde se uvádí, že 16. června 1779 zemřel ve 42 letech Josef Lomný, majitel chalupy číslo popisné 53, která stála uvnitř městských hradeb v tehdejší části Ščudlov (dnes jde přibližně o Tolstého ulici a její okolí). Matrika zmiňuje, že den před Josefovou smrtí zemřel také jeho pětiletý syn. Samozřejmě, jestli jde opravdu o náhrobek zmiňovaného Josefa Lomného, není bez chybějící části nápisu možné zcela potvrdit.

Archeologický výzkum kostela sv. Trojice přinesl několik zajímavých informací k jeho vzniku a také rozšířil znalosti o hřbitově, který ho obklopoval. Další etapa úprav bude probíhat již na povrchu a tedy bez účasti archeologa.