Подводните проучвания в района на Несебър започват през 1960 година по инициатива на едни от класиците на българската археология – Иван Венедиков и Велизар Велков, ръководители на проучванията на сушата. Подводните изследвания са поверени на Люба Огненова-Маринова – един от пионерите на българската подводна археология. Проучванията под вода се осъществяват от водолазната група на Българската академия на науките, а по-късно от групата за подводни проучвания на Национален експедиционен клуб „ЮНЕСКО“. Общо те осъществяват 15 подводни археологически експедиции през 60-те, 70-те и 80-те години на 20 в., последната през 1984 г. При тях е прилагана адекватна за времето си методика, насочена към регистриране на потопените в морето части от Несебърския полуостров. При тези дългогодишни проучвания е установено, че Месамбрия е загубила около 1/3 от укрепената си територия вследствие на покачването на морското ниво, потъването на сушата, ерозията и абразията. Поради това в различни сектори от акваторията на полуострова са открити останки от крепостни стени, кули, стълбища и артефакти от предримската епоха, Късната античност, Средновековието и Възраждането. Изградени са в различни строителни техники – от големи блокове или плочести камъни без спойка, от камъни, хоросан и тухли (opus mixtum). Структурите са открити на самия бряг (в прибойната зона) и на дълбочини до 2 – 3 и 5 – 6 метра.

По цялото северно протежение на Несебърския полуостров са констатирани участъци от крепостни стени, които следват бреговата линия на дълбочина до 1,5 м. Северната крепостна стена започва северно от западната порта на града. На изток е открита под водата, на разстояние до около 40 метра от брега. Източно и югоизточно от Несебърския полуостров са установени участъци от крепостни куртини, кули и бастиони.

Въз основа на комплексен анализ на писмените и епиграфските извори, на данните от археологическите проучвания под вода и на сушата са идентифицирани свлечени в морето знакови постройки – античният театър и храмът на Зевс и Хера, раннохристиянската базилика при средновековната църква “Св. Георги Стари”, северният кораб на базиликата “Богородица Елеуса”, средновековните църкви “Св. Стефан Акрополит” и “Христос Акрополит”. Засега няма сигурни доказателства за градско extra murus застрояване.

Интензивните абразионно-свлачищни процеси в края на 80-те и 90-те г. на XX в. са овладени посредством изграждане на брегоукрепващи съоръжения, главно по северния и източния бряг на полуострова. Разкритите под вода през 70-те и 80-те г. на XX в. археологически структури покрай северния бряг на полуострова, след консервиранe, попадат под уличните настилки на възвърнатите от морето терени. Тази дейност не засяга крепостните стени и разпилените по морското дъно артефакти югоизточно и северозападно от полуострова, които остават достъпни за нови проучвания.

Въз основа на комплексните геофизични заснемания и фотограметрична обработка на ортофотографии, направени с дрон, бе създаден дигитален теренен модел с висока резолюция на полуострова и на прилежащата му акваторията. Триизмерният батиметричен модел създаде географска основа за картиране на регистрираните обекти, спомогна за осмислянето на логиката на местоположението на фортификационните системи на Несебър през различните исторически периоди, на мащабите на древния град и на потъналите му крайбрежия. Бе създадена ортофотомозайка  и сонограмна мозайка с висока резолюция, които, заедно с теренния модел, дадоха насоки за водолазни издирвания и проверки на зони с висок археологически потенциал.

До момента екипът на ЦПА преоткри известните от проучванията на Л. Огненова структури, които бяха почистени, разкопани и документирани със съвременни методи. Бяха открити и неизвестни до момента археологически обекти – вълноломи от натрупани камъни – части от югоизточното пристанище на града, които са най-мащабните древни архитектурни съоръжения открити досега в Черно море, части от крепостни стени в различни строителни техники от предримския период и от Късната античност, части от уличната система на града, архитектурни елементи и др.

През 2018, 2020 и 2022 г. ЦПА съвместно с фондация „Балканско наследство“ организира международна школа по подводна археология, акредитирана от Нов Български университет и Кънектикът колидж, САЩ.

По време на проучванията ЦПА организира доброволчески кампании, при които водолази от сдружение „Приятели на морето“ и от редица водолазни клубове се включиха в археологическата работа.