Iako Gospin otok nije arheološki sustavno istražen i još uvijek krije odgovore na mnoga pitanja iz svoje prošlosti, nedvojbeno je da su na njemu otkriveni ostaci dviju crkava. Znanstvenici još uvijek raspravljaju o njihovu izgledu te o vremenu gradnje jedne od njih. Sjeverna crkva, čiji se skromni ostaci nalaze plitko pod zemljom sa sjeverne strane današnje crkve Gospe od Otoka, potječe iz starohrvatskoga razdoblja. Nju je sagradila kraljica Jelena, kako svjedoče ostaci ranijih zidova, na mjestu neke starije građevine ili je, možda, preuredila crkvu podignutu u 9. stoljeću.
Njezini su zidovi sačuvani u vrlo maloj visini, a na mjestima je ostala tek temeljna stopa. Duga je 23,3 m, a široka 10,4 m. Bila je usmjerena od zapada k istoku s blagim otklonom prema sjeveru. Na istočnoj strani je stajala apsida – polukružna iznutra i pravokutna izvana, a na zapadnoj predvorje, atrij i narteks. Tri para četverokutnih zidanih pilona dijelila su njezinu unutrašnjost u tri broda, a zidovi su bili ojačani potpornjima (kontraforama) koji su stajali nasuprot svakome pilonu. Njihov raspored ne odgovara rasporedu vanjskih ojačanja (lezena) koja su raščlanjivala zid tvoreći plitke niše, što je osobina predromaničkoga načina gradnje. Razmaci između pilona nisu jednaki; u zapadnom dijelu su manji, a dva para bliža apsidi tvorila su pravilnu četvrtastu osnovu. Stoga istraživači, prema bolje očuvanim građevinama sličnoga tlorisa iz istoga razdoblja, pretpostavljaju da je na tome mjestu stajala konična kupola. U zapadnom dijelu crkve prepoznaje se više prostorija. Tu je bio narteks, a na nj se nastavljao atrij. Ispred atrija je predvorje s dvije prostorije; sjeverna je veća i izlazila je izvan perimetralnih zidova crkve.
Znanstvenici različito tumače izvorni izgled ove crkve i promjene koje je doživjela tijekom vremena. Neki smatraju da je u 10. stoljeću to bila dvoranska crkva s jednim svodom, stožastom kupolom ispred apside i dvostruko bačvasto nadsvođenim predvorjem, dok je drugi vide kao malu baziliku s nadvišenim i osvijetljenim srednjim brodom. U atriju je nedvojbeno bila grobna prostorija kraljice Jelene, dok u drugim ostacima u zapadnome dijelu znanstvenici prepoznaju westwerk, dio crkve odakle je vladar pratio službu Božju. Istraživači pretpostavljaju i zvonike srasle sa zapadnim pročeljem, ali ne mogu sa sigurnošću tvrditi je li postojao jedan ili dva. Crkva je i nakon Jelenine smrti preuređivana, a čini se da je u 11. stoljeću dobila ranoromanički izgled.
Ostatke druge, južne crkve prekrila je današnja crkva. Znanstvenici koji prihvaćaju pretpostavku da je na Otoku u 10. stoljeću bila samo jedna crkva u njezinim ostacima vide tragove barokne crkvice koju je od temelja izgradilo stanovništvo pridošlo u Solin u 17. stoljeću, nakon Kandijskoga rata. Međutim, moguće je da su to ostaci srednjovjekovne crkve, dakle druge crkve kraljice Jelene, čije su više ili manje sačuvane zidove u 17. stoljeću koristili novi Solinjani pri gradnji svoje seoske crkve. Njezin je izgled sačuvan na akvarelima Petra Zečevića, a arheološki ostaci su još lošije sačuvani nego oni sjeverne crkve s kojom je gotovo usporedna. Bila je to jednobrodna građevina duga 10,3 m, široka 6 m, a predvorje dugo 7,7 m naknadno joj je dograđeno. Imala je četvrtastu apsidu na istočnoj strani. Ostaci vanjskih ojačanja njezinih zidova (lezena), koji se dobro vide na Zečevićevu akvarelu, u njezinim se ostacima tek naslućuju.
Između sjeverne i južne crkve otkriveni su ostaci jednoapsidalne građevine koja bi, sudeći po načinu gradnje, mogla pripadati ranokršćanskom razdoblju.
Do sjeverne crkve je otkriven sklop zidova u kojima su istraživači, potaknuti riječima kroničara arhiđakona Tome o redovnicima kojima su crkve »zbog poštovanja kraljevskih grobova bile privremeno ustupljene«, prepoznali ostatke benediktinskoga samostana.
Tijekom arheoloških istraživanja na Gospinu otoku otkriveni su ulomci kamenoga namještaja i kamene plastike iz različitih razdoblja te više grobova iz različitih razdoblja: od kasnoantičkih i srednjovjekovnih do novodobnih. Kasnoantički su nalik brojnim grobovima otkrivenim na salonitanskim nekropolama. Srednjovjekovni se pak ne razlikuju od todobnih grobova u drugim dijelovima Dalmacije. Prema prilozima otkrivenima u njima mogu se vremenski odrediti od svršetka 9. do početka 11. stoljeća. Oko seoske crkve svoje mrtve su ukapali i novovjeki Solinjani; južno od sadašnje crkve Gospe od Otoka otkriven je grobljanski zid s ulazom u groblje i dijelovi toga groblja.