U junu mjesecu 1984. godine izvršena su arheološka istraživanja na lokalitetu Stara džamija Soko. Tom prilikom izvršena su istraživanja u enterijeru objekta kao i istraživački radovi na spoljnim zidovima. Prilikom tih radova je u najvećoj mjeri obijen malter, a materijalnih tragova o postojanju apside kao neophodnog elementa svake crkve, niti nekog drugog arhitektonskog elementa koji bi na to ukazivao, nije bilo. Istraživanjima u enterijeru su otkriveni tragovi gorenja, zatim razne popravke i pojačanja zidova, što ukazuje na to da je zgrada kroz istoriju više puta obnavljana (Veljko Milić, kustos-arheolog: »Rezultati arheološkog istraživanja na lokalitetu Stare džamije u Sokolu»). Najvjerovatnije da je ovaj objekat prvobitno bio sagrađen kao feudalni dvorac. U srednjevjekovnoj Bosni su se ovakvi dvorci zvali dvori. Isticali su se veličinom u odnosu na kuće ostalog stanovništva, a građeni su i u varoškim naseljima i u podgrađima. Jedan dio viših feudalaca stanovao je u dvorovima koji su bili smješteni po utvrđenim gradovima. Dvor je zidan od kamena sa krečnim malterom. Enterijer srednjevjekovnih dvorova najvjerovatnije je bio izrađen od drveta koje je vremenom propalo.
Objekat Stara džamija Soko je u osnovi pravougaonog oblika, dimenzija 12,84 x 7,80 m. Zidovi su rađeni od lomljenog kamena nepravilnog oblika vezanog krečnim malterom, debljine 80 cm. Fasada je bila omalterisana. Ulazni trijem je naknadno dograđen od pune cigle debljine 40 cm. Stropna konstrukcija je bila drvena. U objektu su vidljivi ostaci drvenih hatula i elementi prvobitne stropne konstrukcije koje više nema. Stara džamija je prekrivena četvorovodnim krovom, sa klasičnom drvenom krovnom konstrukcijom, a pokrov je crijep. Nema unutrašnjih pregradnih zidova, a ni arheološka istraživanja nisu potvrdila njihovo postojanje. Prozori i vrata su polukružno zasvedeni i urađeni su od fino obrađenog kamena. U prizemlju je obrada otvora mnogo kvalitetnije urađena od obrade na otvorima sprata. Kamen korišten za ovu namjenu potiče iz kamenoloma nedaleko od same građevine.
Na srednjem dijelu južnog zida vidljive su intervencije na zidu, a koje su nastale prilikom izgradnje mihraba. Tom prilikom je iz srednjeg dijela zida uklonjeno nekoliko redova kamena.
Na sjevernom zidu, u visini sprata, bliže zapadnom zidu, probijena su manja vrata do kojih se dolazilo drvenim stepeništem. Sagrađena je i drvena munara na zapadnoj strani koja je 1934. godine porušena i izgrađena je nova kamena. Da bi se moglo ući u munaru, probijen je zapadni zid, a zazidana su manja vrata u visini današnjeg sprata na sjevernom zidu. Probijena su takođe i veća vrata u visini prizemlja koja su postala glavna ulazna vrata. Istovremeno su prvobitna vrata na zapadnoj strani zazidana ciglom. Po završetku svih ovih radova dograđen je današnji trijem ispred ulaznih vrata na sjevernoj strani.