Zur Untersuchung der Bautechnik und Baugeschichte der Villa dei Misteri wurde eine elektronische Vermessung vorgenommen, durch Detailmasse ergänzt und das Ergebnis als Bauaufnahme in Form einer Architektur-Tomographie mit Grundrissen, Ansichten, Schnitten und Details des Bestandes und seiner Veränderungen zeichnerisch dargestellt. In den Plänen sind die verwendeten Baumaterialien und Bautechniken gekennzeichnet und ein Rekonstruktionsversuch eingetragen. Es zeichnen sich drei Bauphasen ab:
PHASE I (SULLANISCH 80-70v.)
Planung und Bau einer Villa vor dem Herkulaner Tor der Stadt Pompeji im oskischen Mass-System auf einem Grundstück von 240 Fuss im Quadrat mit einer Plattform von 180' im Quadrat und einer Cryptoporticus. Darauf ein Hauptgebäude mit einer Schauseite nach Westen, Atrium, Portiken und einem 2-geschossiges Peristyl mit einer Schaufassade. Nach N eine große Porticus, nach S ein Atriolum, Balneum und eine grosse Küchenanlage mit den jeweils zugehörigen Nebenräumen.
Als Mauertechnik wurde Opus incertum verwendet und Opus quasi reticulatum aus Tuff eingeführt. Türleibungen und Mauerecken wurden aus behauenen Steinen in Mauerwerkstechnik angelegt und verfugt. Säulen/Pfeilerordnungen und Werkstücke wurden steinmetzmässig aus Sarno-Kalkstein und Nocera-Tuff hergestellt. Als Konstruktionselemente wurden Entlastungsbögen, Architrave aus Holzbalken und erstmals scheitrechte Bögen benutzt. Zahlreiche Portale wurden im Rohbau vorsorglich angelegt. Als Gliederungselemente der Cryptoporticus wurden Bogennischen verwendet.
Die Anlage wurde aussen mit weißem Kalkputz versehen, Gesimse und Architrave gestuckt. Es wurden attische Türen mit Futter, Bekleidung und Travertin-Schwellen eingebaut. Die Säle hatten horizontale Balkendecken, die Cubicula abgehängte Stuckgewölbe. Als Fussböden wurde Signinum, Travertin-Mosaik, Opus tesselatum und Opus segmentatum verlegt. Die Wände erhielten eine Dekoration im II.Stil. Bald nach der Baufertigstellung wurde ein Vortor mit Grundstücksmauer errichtet.
PHASE II (AUGUSTEISCH)
Die Villa wurde rundum erneuert und erweitert. Beherrschendes architektonisches Motiv wurde die Exedra mit Aedicula auf der Hauptachse. Auf den N- und W-Seiten wurden die Säulen- und Pfeilerstellungen der Portiken abgebrochen und eine Sala apsidata, Exedra, sowie Cubicula diurna und Loggien eingebaut. Die Dächer der Portiken wurden angehoben und in das Hauptdach integriert. Das Atriolum wurde in eine tertrastyle Anlage umgebaut. Nach NW und SW wurden Portiken, nach SO eine Doppelporticus und entlang der Strassenfront zweigeschossige Wohn- und Wirtschaftsbauten errichtet.
Das römische Fussmass wurde eingeführt. Als Baumaterial kamen Mauersteine aus Ziegeln und gelbem Tuff auf. Türschwellen und Fensterbänke wurden aus weißen Marmor-Platten hergestellt, Säulen, Gesimse und Architrave wurden gemauert und gestuckt. Als Mauertechniken wurde Opus reticulatum, Opus vittatum, Opus mixtum und Opus testaceum eingeführt.
Die Funktion verschiedener Raumgruppen wurde geändert. Es wurden zahlreiche Um- und Einbauten, wie z.B. im Atriolum oder der Crypta im Peristylhof vorgenommen. Die entstandenen Räume wurden im III.Stil dekoriert. Neue Fussbodenbeläge wurden aus kleineren Tessellae hergestellt und mit vegetabilen Ornamenten versehen. Aus der offenen republikanischen Villa wurde eine kompakte geschlossene kaiserzeitliche Anlage.
PHASE III (ERDBEBEN 5.2.62 - VESUVAUSBRUCH 24.8.79 n.)
Zunächst wurden die wiederverwendbaren Bauteile gelagert, der Schutt abtransportiert, die eingestürzten Gebäudeteile versteift und teilweise wieder aufgebaut. Dabei wurde das Peristyl nur 1-geschossig ausgeführt. Der Eingangs-Bereich, die Doppelporticus und der SO-Wirtschaftshof wurden mit Satteldächern versehen. Im S-Gang der Cryptoporticus wurde eine Zisterne eingerichtet.
Die Villa wurde zuletzt offenbar von L.Istacidius Zosimus verwaltet, der NO-Teil von seinem Personal bewohnt und als Weinbaubetrieb geführt. Dafür wurde der Aussenbereich nach Norden abtragen und dort zwei 2-geschossige Wirtschaftsgebäude mit Gewölbegang zum Weinlager, sowie ein Nebeneingang mit Rampe zur Strasse errichtet. Die Doppelporticus wurde mit einem zweistufigen Pultdach versehen und die Zisterne wieder abgetragen. Die Arbeiten dazu waren zum Zeitpunkt des Unterganges der Villa noch im Gange.