Ο αρχαιολογικός χώρος του Μόχλου αποτελείται από το μινωικό οικισμό που εντοπίστηκε στο νότιο τμήμα της νησίδας του Αγίου Νικολάου και την παραλία της απέναντι ακτής, το πρωτομινωικό νεκροταφείο στη δυτική πλευρά του νησιού, το υστερομινωικό νεκροταφείο που βρίσκεται σε λόφο πίσω από το σύγχρονο οικισμό, το αρχαίο λατομείο στη θέση Βαγιά και τις ρωμαϊκές ιχθυοδεξαμενές στην ακτή απέναντι από το νησί.

Οι ανασκαφές συνεργασίας μεταξύ Αμερικανικής Αρχαιολογικής Σχολής και ΚΔ΄ Εφορείας Προϊστορικών και Κλασικών Αρχαιοτήτων στο νησί του Μόχλου έφεραν στο φως δέκα διαφορετικές φάσεις της Εποχής του Χαλκού, από την Πρωτομινωική ως την Υστερομινωική ΙΙΙ ή μυκηναϊκή περίοδο. Αποκαλύφτηκε το μεγαλύτερο τμήμα της πόλης, κατοικίες, το τελετουργικό κέντρο, κύριοι και δευτερεύοντες δρόμοι, που διατρέχουν το νησί και σχηματίζουν οικοδομικά τετράγωνα.

Η ανασκαφική έρευνα έδειξε ότι κάποια αρχιτεκτονικά κατάλοιπα ανήκουν στον πρωτομινωικό οικισμό. Πρόκειται για τα θεμέλια τριών οικιών, οι οποίες ήταν διασκορπισμένες στον ευρύτερο χώρο, αποδεικνύοντας μια αραιή κατοίκηση την περίοδο αυτή. Η αύξηση του πληθυσμού στις επόμενες εποχές οδήγησε σε μια πυκνότερη κατοίκηση και στην οικοδομική ανάπτυξη του οικισμού. Οι οικίες διαθέτουν πλέον δύο ορόφους, όπου το ισόγειο διαμορφώνεται σε εργαστήριο και αποθήκες, ενώ κάποιες από αυτές εμφανίζουν ανακτορικά και μνημειακά στοιχεία.

Το πρωτομινωικό νεκροταφείο είναι από τα μεγαλύτερα και σημαντικότερα της ανατολικής Κρήτης. Εκτός από τους μνημειώδεις κτιστούς τάφους που περιείχαν συνήθως πολλές ταφές, βρέθηκαν και απλές ταφές σε νεκρικούς πίθους ή λαξευτούς σε βράχους τάφους, σε απλούς λακκοειδείς καθώς και καύσεις. Οι ταφές διέθεταν πλούσια κτερίσματα, τα οποία δίνουν σημαντικές πληροφορίες για τον πρωτομινωικό πολιτισμό. Το νεκροταφείο περιείχε πάνω από 20 μεγάλους κτιστούς τάφους. Δυο από τους κτιστούς τάφους λόγω του μεγέθους, των αρχιτεκτονικών στοιχείων και των ιδιαίτερα πλούσιων κτερισμάτων τους (χρυσά διαδήματα) ανήκουν πιθανόν σε πρόσωπα της ανώτερης κοινωνικής τάξης του οικισμού. Οι λαξευτοί και οι λακκοειδείς τάφοι, καθώς και οι νεκρικοί πίθοι ανήκουν πιθανόν σε άτομα των κατώτερων κοινωνικών τάξεων. Χρονολογικά οι κτιστοί τάφοι τοποθετούνται στην Πρωτομινωική ΙΙ περίοδο (περίπου από το 2900 π.Χ.) και συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται στην Πρωτομινωική ΙΙΙ περίοδο (περίπου από 2300 μέχρι 2000 π.Χ.). Πολλοί λίγοι από αυτούς χρησιμοποιήθηκαν και στη Μεσομινωική ΙΑ περίοδο (περίπου από 2000 μέχρι 1900 π.Χ.).

Το υστερομινωικό νεκροταφείο (περίπου από 1600 - 1070 π.Χ.) βρίσκεται σε λόφο, πίσω από το σύγχρονο οικισμό. Στο νεκροταφείο αυτής της περιόδου που βρίσκεται στα Λιμενάρια έχουν ανασκαφτεί τριάντα ασύλητοι τάφοι θαλαμοειδείς, λαξεμένοι στις πλαγιές του λόφου. Τα σώματα των νεκρών ήταν τοποθετημένα σε πήλινες λάρνακες και σε πίθους μαζί με τα πλούσια κτερίσματά τους. Οι πίθοι και οι λάρνακες έφεραν γραπτή διακόσμηση και αποτελούν αγγεία εξαιρετικής τέχνης. Πρόκειται για τυπικούς θαλαμωτούς τάφους, οι οποίοι διαθέτουν συχνά δρόμο. Οι τάφοι προορίζονταν συνήθως για ζευγάρια (άντρας-γυναίκα), όπως απέδειξαν οι ανθρωπολογικές μελέτες των οστών. Γύρω από κάθε ταφή βρέθηκαν 20 με 40 αγγεία (κρατήρες, υδρίες, κύπελλα και οινοχόες). Πολλά αγγεία προέρχονται από την κεντρική και δυτική Κρήτη (Χανιά). Κάποια από τα κτερίσματα ήταν ιδιαίτερα πλούσια, όπως χάλκινο κύπελλο, χάλκινος καθρέφτης, κοσμήματα από φαγεντιανή και χρυσό.

Στην ευρύτερη περιοχή του Μόχλου έχει εντοπιστεί μια σειρά από αρχαιολογικές θέσεις που χρονολογούνται από τη μινωική έως τη βυζαντινή περίοδο.