Ο Αμερικανός αρχαιολόγος R. B. Seager ανακάλυψε τον Μοχλό το 1907 με τις υποδείξεις ενός ντόπιου ψαρά. Τον αμέσως επόμενο χρόνο, ξεκίνησε ανασκαφές στο μικρό νησάκι που έφεραν στο φως 20 χτιστούς τάφους και περίπου 12 κατοικίες. Το 1955 οι J. Leatham και S. Hood με υποβρύχιες έρευνες, ανακάλυψαν ρωμαϊκές ιχθυοδεξαμενές στην ακτή απέναντι από το νησάκι, επιβεβαιώνοντας έτσι την υπόθεση ότι το νησί του Μοχλού ήταν χερσόνησος κατά την εποχή του Χαλκού.
Σύμφωνα με τα συμπεράσματα των ανασκαφών, το νησί του Μοχλού εξελίχθηκε σε ένα από τα σημαντικότερα κέντρα του μινωικού πολιτισμού. Η πεδιάδα στη στεριά παρείχε πλούσια αγροτική παραγωγή και ο στενός πορθμός που ένωνε στην αρχαιότητα το σημερινό νησάκι με τη στεριά, σχηματίζοντας δυο φυσικά λιμάνια, εξασφάλιζε τα πλοία από κάθε είδους καιρικές συνθήκες.
Ως σημαντικό κέντρο διακομιστικού εμπορίου εισήγαγε οψιανό από τη Μήλο και άλλες πρώτες ύλες από την Ανατολή τις οποίες διοχέτευε στην υπόλοιπη Κρήτη. Η ανακάλυψη ενός σφραγιδοκύλινδρου που προέρχεται από την Βόρεια Συρία και χρονολογείται γύρω στον 18ο π.Χ αιώνα, αποδεικνύει την σπουδαιότητα του λιμανιού.
Στη "συνοικία των τεχνιτών" κατασκευάζονταν χρυσά κοσμήματα, σφραγιδόλιθοι, και τα φημισμένα λίθινα αγγεία του Μοχλού, πολλά από τα οποία βρέθηκαν σε τάφους αυτής της εποχής.
Μετά την καταστροφή από την έκρηξη του ηφαιστείου της Σαντορίνης, η πόλη του Μοχλού ανακατασκευάστηκε και επεκτάθηκε. Η νέα πόλη είχε κεντρικούς δρόμους και άλλους μικρότερους που την χώριζαν σε συνοικίες. Τα σπίτια ήταν χτισμένα σε διαφορετικά επίπεδα προσαρμοσμένα στην κλίση του εδάφους και είχαν δυο ή και τρεις ορόφους.
Η τελευταία φάση εκτεταμένης κατοίκησης στο νησί του Μοχλού αντιπροσωπεύεται από μια οχύρωση του 1ου π.Χ. αιώνα στην βόρεια και ανατολική πλευρά του. Η οχύρωση αυτή ίσως ήταν μια προσπάθεια της Ιεράπυτνας να σταθεροποιήσει την εποχή εκείνη την παρουσία της στην βόρεια ακτή της Κρήτης.
