Tiek pačioje rotušėje, tiek aplink ją pirmieji nuoseklūs tyrimai pradėti tik Lietuvai atgavus nepriklausomybę, paskutiniame XX a. dešimtmetyje. 1995–1996 m. pirmiesiems oficialiems architektūriniams tyrimams vadovavo Idalija Bėčienė. Tyrimai atlikti ir 2012, ir 2014 metais (jiems vadovavo Robertas Žukovkis, Lina Girlevičius) rotušės pastate, rūsyje.
Vilniaus rotušės rūsiai – skirtingų Vilniaus raidos etapų atspindys. Rotušės rūsiuose galime įžvelgti ir tam tikru laikotarpiu susiformavusias rūsio dalis. Dar iki 1387 m. dabartinio pastato pietrytinėje dalyje jau buvo išmūrytas 13x13 m bokšto pavidalo statinys iš dalies baltiškuoju būdu. Manoma, kad XIV a. II pusėje Jogailai perkėlus centrą prie dabartinės Šv. Jonų bažnyčios, Vilniaus miestas pradėjo intensyviai kurtis dabartinio Senamiesčio teritorijoje. Bendras jo plotas sudarė apie 100 hektarų – apjuosti tokio dydžio teritoriją gynybine siena tuo laikotarpiu buvo sudėtinga, todėl miesto apsaugai buvo statomi gynybos bokštai – bokštiniai namai.
Vilniaus rotušės rūsiuose išlikusio XIV a. bokštinio namo liekanos yra vienas pavyzdžių, kai toks pastatas gali tapti miesto dominante. Po 1387 m. Vilniui suteiktų Magderburgo teisių magistratui reikėjo būstinės. Bokštinis namas buvo išplėstas naudojant gotišką mūrą iki 19x36 m. dydžio ir čia įsikūrė svarbiausias miesto pastatas. 1387 m. įsteigta Rotušė, 1432 m. jos pastatas pirmąkart paminėtas raštiškai, kaip stovintis dabartinėje vietoje. Po šiaurės vakarų dalimi nebuvo rūsio, po rytine dalimi jis išaiškintas jau pirmaisiais pastato tyrimo metais, kitur rūsio buvimas liko neaiškus iki šiol. Apie 1610 m. aprašytas Rotušės remontas po gaisro, nors mūrą labiau tiktų priskirti XVI a. antrajai pusei. Tuomet atsirado sienos, kurios suskaidė ankstyviausiąją rūsio dalį į mažesnes patalpas, patalpos perdengtos skliautais.
1751–1781 m. Jonas Kristupas Glaubicas pradėjo statyti bokštą, statybą tęsė St. Russelas, nuo 1779 m. bokštui ėmus svirti pamatus pradėjo stiprinti Laurynas Gucevičius, kol 1781 m. bokštas nugriuvo. Bokšto lokalizuoti nepavyko. Bokštas buvo įprastas senosios Europos miesto rotušių elementas. Jame paprastai kabodavęs varpas skelbdavo apie pavojų, garbingų svečių atvykimą, o laikrodis rodė miestiečiams tikslų laiką.
Ilgą laiką iš Vilniaus rotušės bokšto buvo skelbiami magistrato nutarimai, stebėta, ar mieste nekyla gaisrų. Bokšte tradiciškai būdavo įrengtas magistrato archyvas ir aukštutinis kalėjimas kilmingiesiems, pirkliams, amatininkams, retais atvejais ir bajorams, o bokšto rūsyje – kalėjimas kriminaliniams nusikaltėliams.
1785–1799 m. pagal L.Stuokos Gucevičiaus projektą rotušė išplėsta į šiaurę, ji užėmė dabartinį užstatymo plotą ir tūrį. Papildomų rūsių šiaurinėje dalyje neįrengta, tik laiptinė pietinėje.
1810 m. rotušės pritaikymas teatrui ir 1845 m. rekonstrukcija neturėjo įtakos rūsiui. Rekonstruojant pastatą 1936–1939 m. pagal St.Narembskio projektą rūsys apjuostas techniniu koridoriumi prakertant visas skersines sienas ir iškasant rūsius ten, kur jų nebuvo iki tol. Pakito rūsio centrinės dalies išplanavimas – pastato viduryje pastatytos laiptinės atramos. Paklotas geros kokybės plytų grindinys, vyraujantis rūsyje. Tieiai po Rotušės laiptais yra apie 30 metrų ilgio siauras ir aukštas kambarys. Čia 1938 m. buvo įrengta pagrindinė Vilniaus elektros pastotė, tiekusi elektrą visam senamiesčiui.
St.Narembskio rekonstrukcijos metu Rotušės rūsio dalyje buvo suformuota slėptuvė miesto magistrato nariams. 1938 m. ją įrengė Lenkijos valdžia. Ši patalpa skiriasi nuo kitų rūsio patalpų savo sienų storumu. Lubų storis – maždaug pusmetris. Įdomu, kad prieš keliasdešimt metų šioje slėptuvėje buvo sudėtas ir katedroje rastas lobis.
