På initiativ af Kong Frederik VII (1848-1863) foretog man i 1861 en udgravning i Sydhøjen. Her formodede man at kunne finde et gravkammer svarende til det træbyggede kammer i Nordhøjen og dermed Kong Gorms grav. Ifølge traditionen  var kongen begravet syd for kirken, mens Dronning Thyra lå i højen mod nord. Arkæologen J. J. A. Worsaae fik ansvaret for udgravningen assisteret af M. T. E. Møller fra minørkorpset og ti mand fra det kongelige militære ingeniørkorps.

Efter den gennemgribende undersøgelse af Sydhøjen, som ikke førte det resultat med sig, alle havde håbet, blev fokus igen rettet mod gravkammeret i Nordhøjen. Nu var teorien den, at Nordhøjen måtte være hvilested for både Dronning Thyra og Kong Gorm. Det gamle indbrud, som blev bemærket allerede i 1820, skyldtes derfor næppe gravrøveri, men var udført, da den sidste af Harald Blåtands forældre blev gravsat.

Udgravningsmetoden var den samme som i Sydhøjen, og en minegang blev anlagt ind mod gravkammeret fra sydvest. I minegangen stødte udgraverne blandt andet på fire store bautasten. Stenene gjorde arbejdet besværligt, og man huggede dem op. Inderst i højen stødte man på flere større og mindre sten, der omkransede gravkammeret. Disse sten var man også stødt på ved tidligere udgravninger, men først ved en senere udgravning i 1942 kunne det konstateres, at der var tale om et mægtigt stenlag over højens kerne, der blev tolket som en totusinde år ældre bronzealderhøj.

De mange sten vanskeliggjorde arbejdet, og det blev derfor besluttet, at Nordhøjens gravkammer skulle graves fri fra oven. I højfylden over kammeret fandt man flere opsigtsvækkende fund, der vidnede om en tidlig åbning af højen. Kong Frederik VII befalede en gennemgribende restaurering og rekonstruktion af gravkammeret efter udgravningen. Inspirationen hertil hentede han måske i Gamla Uppsala nord for Stockholm. Her havde den svenske kronprins, senere Karl XV (1826-1872), taget initiativ til udgravning af den østligste af de mægtige ”kongehøje” i 1846. Højen indeholdt en brandgrav, og efter udgravningen blev urnen atter fyldt med brændte ben. Et lag af ben og aske blev lagt ud som før, og besøgende kunne nu se urnen og de brændte ben gennem et gitter af messingtråd – dog kun frem til 1859, hvor man var nødt til at fylde udgravningsskakten op igen.

I Jelling blev de bedst bevarede originale dele af trækammeret i Nordhøjen genanvendt. Fra minegangen, der var anlagt ind gennem højen, lagde man et trin op til kammeret. Enkelte fund fra udgravningen blev udstillet i kammeret til offentlighedens skue. Heller ikke her kunne man dog holde graven åben på grund af fugt og nedstyrtningsfare, og i 1873 måtte det hele lukkes igen.