Η Ακρόπολη της Θεσσαλονίκης από την αρχαιότατη ίδρυση της αποτέλεσε το ισχυρότερο και ακροτελεύτιο έρεισμα της πόλεως. Διαδραμάτιζε καθοριστικό ρόλο καθ’ όλην την ιστορία της, ιδίως κατά την ύστερη βυζαντινή περίοδο, όχι ως μια απλή συνοικία, αλλά ως ο «θεοφρούρητος κουλάς» με τους λαμπρούς ιερούς ναούς στους οποίους ιερουργούσε ο Αρχιεπίσκοπος και το ύστατο καταφύγιο των αρχόντων, όπως οι γραμματειακές πηγές παραδίδουν.
Ελάχιστα μέτρα βορειότερα την πύλη εξόδου από την Ακρόπολη, σε γειτνίαση με το κομβικό σημείο όπου το ενδιάμεσο τείχος της πόλης συναντά το δυτικό σκέλος του τείχους της Ακρόπολης και πλησίον του κραταιών πύργων με αυτοκρατορικές επιγραφές, σε σωστική ανασκαφή οικοπέδου στην οδό Στεργίου Πολυδώρου 5 αποκαλύφθηκε άγνωστος στην έρευνα ναός των παλαιολόγειων χρόνων, με πυκνό κοιμητήριο της ίδιας περιόδου.
Συγκεκριμένα, αποκαλύφθηκε το ήμισυ περίπου πολύπλευρης, υπολογιζόμενης ως πεντάπλευρης, κόγχης του ιερού Βήματος με δύο κατασκευαστικές φάσεις. Ο τοίχος της κόγχης, δομείται με λίθους και πλίνθους, πολλές από τις οποίες είναι ενσφράγιστες με σταυρούς, έχει αμελές πλινθοπερίκλειστο σύστημα δόμησης και συνδετικό υλικό το χώμα. Σε πολύ μικρή απόσταση από τον αγιογραφημένο τοίχο της κόγχης, αποκαλύφθηκε η ίδια η Αγία Τράπεζα. Ο βωμός είναι χτιστός, με μορφή συμπαγούς κύβου.
Από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της ανωδομής της κόγχης του Ιερού Βήματος, τον εικονογραφικό της διάκοσμο και τον κινητό της εξοπλισμό, η ανασκαφή ανέδειξε πολύτιμα στοιχεία. Μεταξύ του τοίχου της κόγχης και της Αγίας Τράπεζας, αποκαλύφθηκε ένσταυρο χάλικινο σκεύος που αποτελούσε το εγκαίνιον της δεύτερης κατασκευαστικής φάσης. Τόσο στην επιφάνεια του καμπύλου τοίχου όσο και στην κόγχη της Πρόθεσης, αποκαλύφθηκε σε καλή κατάσταση διατήρησης, τμήμα του εικονογραφικού διακόσμου. Από την εικονογράφηση της Πρόθεσης διατηρήθηκε το κάτω τμήμα της παράστασης της Άκρας Ταπείνωσης του Χριστού, Από την εικονογράφηση της αψίδας του ιερού, διατηρήθηκε κατά χώραν αποσπασματικά, η παράσταση του Μελισμού. Πολλά σπαράγματα πολυτελών τοιχογραφιών προερχόμενα από τον χώρο του ιερού, βρέθηκαν μέσα στο στρώμα καταστροφής της κόγχης. Στα σπαράγματα περιλαμβάνονται και αρκετά που φέρουν επίστρωση φύλλου χρυσού. Από τα σπαράγματα αυτά, κατέστη δυνατόν να ανασυσταθεί εν μέρει η εικόνα της Θεοτόκου Πλατυτέρας, που αναμφίβολα κοσμούσε την ανώτερη ζώνη τοιχογράφησης της κόγχης. Η τοιχογραφία της Πλατυτέρας του ναού της Πολυδώρου αποτελεί αριστουργηματικό έργο της δεύτερης δεκαετίας του 14ου αιώνα (1310-1320), και εντάσσεται καλλιτεχνικά στην υψηλή παλαιολόγεια τέχνη της Θεσσαλονίκης με ανάλογά της σε παραστάσεις στο ναό του Αγίου Παντελεήμονα, του 13ου – 14ου αιώνα και του Νικολάου Ορφανού (1310-1320).
Οι χρονολογικές ενδείξεις που προκύπτουν από τα ανασκαφικά δεδομένα του ναού, ενισχύονται από τα αντίστοιχα ευρήματα της διερεύνησης του κοιμητηρίου που αναπτυσσόταν στα βόρεια και ανατολικά της πολύπλευρης κόγχης και στο εσωτερικό του βορείου ορθογωνίου διαμερίσματος αλλά όχι μέσα στο ιερό. Πρόκειται για απλές στη μορφή αλλά επιμελημένες ταφές, κείμενες επί φυσικού εδάφους, των κατοίκων της βυζαντινής ακρόπολης. Το πυκνό αυτό κοιμητήριο παρέχει ιδιαίτερα πολύτιμες πληροφορίες όχι μόνο γιατί συμπληρώνει την εικόνα του ναού στον οποίο ανήκει, αλλά και γιατί μέχρι στιγμής δεν είναι γνωστό αντίστοιχης έκτασης εύρημα στο εσωτερικό της ακρόπολης. περιοχή για την οποία οι πληροφορίες μας παραμένουν περιορισμένες.
Στον χώρο της ανασκαφής ερευνήθηκαν πενήντα επτά (57) ταφές σε επάλληλες στρώσεις. Πρόκειται για ταφές βρεφικές, παιδικές και ενηλίκων, καθώς και ανακομιδές, που πραγματοποιήθηκαν σε τάφους διαφόρων τύπων, κιβωτιόσχημους, κεραμοσκεπείς, ελεύθερες λακκοειδείς απλές είτε με κάλυψη από οριζόντια τοποθετημένες σχιστόπλακες μειούμενου πλάτους. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν δύο ταφές ιδιαίτερα μεγαλόσωμων ανδρών, των οποίων το ύψος εγγίζει τα δύο μέτρα και η ταφή γυναίκας επίτοκης, που στη θέση της λεκάνης βρέθηκαν οστάρια και κρανίο εμβρύου σε θέση τοκετού.
Με βάση την συνολική ανασκαφική εικόνα αλλά και την νομισματική μαρτυρία από κλειστά σύνολα των ταφών και του κτηρίου που περιλάμβαναν Λατινικές απομιμήσεις και κοπές Μιχαήλ Η΄ Παλαιολόγου (1261-1281) μπορεί να διατυπωθεί ότι κοιμητήριο και ο ναός με πολυγωνική κόγχη ιδρύθηκαν μετά τα μέσα του 13ου αι. Το αρχικό αυτό κτίσμα, γνώρισε δεύτερη κατασκευαστική φάση στις αρχές του 14ου και συγκεκριμένα περί την εικοσαετία 1310-1330, Ο ναός στην δεύτερη φάση του δεν είχε ιδιαίτερα μακρά ζωή αφού νομίσματα (χάλκινο με απεικόνιση του Πάτρωνα Αγίου της πόλεως και Τορνεζίου του Μανουήλ Β΄ Παλαιολόγου (1391 -1423/25) και κεραμική αποκαλύπτουν την ριζική καταστροφή και κατάχωση του στα τέλη του 14ου – αρχές του 15ου αιώνα. Μετά από αυτό το χρονικό όριο οι ενδείξεις ελλείπουν και φαίνεται πως ο ναός παραμένει θαμμένος χωρίς να εντοπίζεται καμία άλλη μαρτυρία χρήσης του χώρου μέχρι και τις αρχές του 20ου αιώνα.
Η χρονολόγηση του ναού τον εντάσσει στην ταραγμένη εποχή της ιστορίας της Θεσσαλονίκης αμέσως μετά την Λατινική κατάκτηση. Η περίοδος χαρακτηρίζεται από τις δυναστικές έριδες, το ζηλωτκό κίνημα με βιαιότητες που εκτυλίχθηκαν εντός των τειχών της, την διαβίωση και την στέψη βασιλέων στην ίδια την πόλη έως την τελική υποταγή και υποτέλειά της στους Οθωμανούς.