จากการขุดค้นของคณะโบราณคดี มหาวิทยาลัยศิลปากรเมื่อปี พ.ศ. 2512 พบว่าศาลพระกาฬนี้เป็นเทวาลัยของศาสนาพราหมณ์-ฮินดูมาแต่ดั้งเดิม คาดว่าถูกสร้างขึ้นในช่วงกรุงศรีอยุธยาตอนต้นหรือราวพุทธศตวรรษที่ 20 ลักษณะเป็นปรางค์ซุ้มสี่ทิศ ยุคแรกนั้นเป็นเทวสถานในนิกายไศวะ และนิกายไวษณพ มีการขุดค้นพบเทวรูปสำริด อาทิ พระอิศวร พระนารายณ์ และพระคเณศ ทรงเครื่องและศิราภรณ์อย่างขอมสมัยนครวัด[2] ทั้งนี้หากพิจารณาจากภูมิสถานของศาลพระกาฬก็จะพบว่าอยู่ในกลางพระนคร บริเวณจุดตัดของถนนป่าโทนกับถนนศรีสรรเพชญ์เป็นสี่แยกเรียกว่าตะแลงแกง ในหนังสือ ตำนานกรุงเก่า ของพระยาโบราณราชธานินทร์ (พร เดชะคุปต์) ได้เขียนบรรยายเอาไว้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2450 ความว่า[2]

"...ข้างฟากถนนตะแลงแกงทางใต้ด้านตะวันตก มีศาลพระกาฬหลังคาเป็นซุ้มปรางค์ และมีศาลอยู่ต่อกันไปเข้าใจว่าจะเป็นศาลพระเสื้อเมือง พระทรงเมือง พระหลักเมือง ที่ตรงตะแลงแกงเห็นจะถือกันว่าเป็นกลางพระนคร..."

ย่านตะแลงแกงนี้มีประชากรอยู่อย่างหนาแน่นด้วยเป็นที่ตั้งของตลาดสดที่ขายของแต่เช้าจรดเย็นและตลาดค้าของชำขนาดใหญ่สองแห่งคือตลาดหน้าคุกและตลาดหน้าศาลพระกาฬ[1][3] ทั้งนี้หากมีการประหารนักโทษก็จะทำการประหารที่ตะแลงแกง แล้วเสียบศีรษะศพประจานให้เพื่อให้ประชาชนเกรงกลัวมิกล้าเอาเยี่ยงอย่าง[1]

ต่อมายุคต่อมาได้มีการดัดแปลงศาลพระกาฬเป็นพุทธสถาน ที่สันนิษฐานว่าน่าจะเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2179 ที่พระราชพงศาวดารระบุว่าในรัชสมัยสมเด็จพระเจ้าปราสาททองโปรดเกล้าให้รื้อเทวสถานเดิมไปสร้างใหม่ ณ ย่านชีกุน จากการขุดค้นทางโบราณคดีจึงพบว่ามีพระพุทธรูป และพบว่าด้านหน้ามีการสร้างวิหารขนาดใหญ่ในยุคหลัง[2] แต่หลังการดัดแปลงเป็นพุทธสถานนี้ก็พบว่าศาลพระกาฬก็เริ่มโรยรา และถูกทิ้งร้างขาดการดูแลมานาน สันนิษฐานว่าจะเกิดขึ้นช่วงก่อนเสียกรุงศรีอยุธยาครั้งที่สองไปจนถึงยุครัตนโกสินทร์ตอนต้น[2]