İlk arkeolojik kazı çalışmaları yirminci yüzyılın başlarında T. Wiegand ve H. Schräder tarafından yapılan Priene sinagogu, önceleri ev kilise olarak yorumlanmış, ancak sonraki bir dönemde E. L. Sukenik tarafından sinagog olarak tanımlanmıştır. M. Wilson ve N. Burkhardt ise yapı ile ilgili son çalışmaları 2009 – 2011 kazı sezonlarında gerçekleştirerek, sinagogun farklı yapı evrelerini de kapsayan daha detaylı bilgilere ulaşmışlardır.

Sinagog yapısı antik kentin batısında liman bölgesi ile kentin merkezini birbirine bağlayan Batı Kapısı Caddesi’nin güneyinde, ev ve dükkanlardan oluşan yoğun bir kentsel dokunun içinde yer almaktadır. Yapı arkeolojik kazılar sonucunda tespit edilen menora grafitisi, menora kabartmalı levha ve ana salonun doğusundaki ehal nişin varlığından dolayı sinagog olarak tanımlanmaktadır. 

Üç yapı evresi tespit edilen yapının ilk evresi yirmi dört numaralı ev olarak tanımlanan, Priene’deki benzer mimariye sahip prostaslı evlerle çağdaş konut evresidir ve MÖ II. yüzyılın üçüncü çeyreğine tarihlenmektedir. İlk konut evresinde yapının kuzeyinde büyük bir oikos ve her iki yanında dikdörtgen formlu iki uzun oda bulunmaktadır. Ayrıca oikosun önünde de güney avlusuna açılan, günümüze ulaşan arkeolojik buluntulardan dolayı saçaklı bir çatıyı taşıyan Dor bir prostası olduğu aktarılmaktadır. Bu evrede yapıya girişin batısındaki on dört numaralı sokaktan olduğu kabul edilmektedir. Yapının sonraki süreçte sinagoga dönüşmesinde ise iki ana yapı evresi söz konusudur. Birinci evre büyük bazilikal planlı ve doğu-batı yönünde düzenlenmiştir. Bu evrede yapılan mimari plan revizyonu ile yapıya giriş kuzeydeki Batı Kapısı Caddesi üzerinden oikosun kuzey duvarındaki kapıdan yapılmaktadır. Kentte yaşanan bir deprem sonrası inşa edildiği düşünülen ikinci evre ise her iki yanında koridorlar olan bir ana nef ve narteksi bulunan birinci sinagog evresine göre daha küçük boyutlarda bazilikal planlı bir mimariye sahiptir. 

Sinagog olarak ilk kullanımı net olarak belirlenememekle birlikte arkeolojik kazılar sonucu elde edilen bulgular ışığında Priene sinagogu Geç Antik Dönem’e tarihlenmekte ve yapının MS IV. yüzyılın sonlarından MS VI-VII. yüzyılın başlarına kadar kullanılmış olduğu belirtilmektedir.