Während der letzten Eiszeit war das heutige Stadtgebiet vom Linthgletscher bedeckt. Auf ihrem Rückzug, vor 19'000 Jahren, formten die Eismassen durch Vor- und Rückzugsstadien die Landschaft im Limmattal massgeblich. Der Moränenwall des letzten Stadiums «Z4» erstreckte sich entlang des künftigen Seebeckens von Küsnacht bis Kilchberg. Überreste auf Stadtgebiet sind der Alte Botanische Garten, der Lindenhofhügel und die vom Central bis zur Hohen Promenade ziehende Seitenmoräne.

In der Grabungsfläche hatte sich das Bett des «Ur-Wolfbachs» erhalten. Der spätere Stadtbach vereinte die Bachläufe des Adlisbergs und des Pfannenstiels. Beim heutigen Central floss er über eine Schotterebene und mündete in das Schmelzwasser des Gletschers. Zusammen mit der ebenfalls wasserreichen Sihl bildete sich ein See, der bis nach Schlieren reichte, der «Schlierensee». Mit dem Rückzug des Gletschers fanden immer mehr Bäche den direkten Weg in den Zürichsee, so dass der Wolfbach weniger Wasser führte.

Drei prähistorische Ackerböden ergänzen unser Bild der frühen Kulturlandschaften am Zürichsee. Der unterste und älteste dieser Ackerböden stammt aus dem 29.–25. Jahrhundert v.Chr. (Schnurkeramische Kultur). Darüber erhielten sich Ackerböden der Mittel- bis früheren Spätbronzezeit (14.–11. Jahrhundert v.Chr.) und der Eisenzeit (8.–2. Jahrhundert v.Chr.).

Nachweise prähistorischer Ackerflächen sind selten und meist nur über mikromorphologische Analysen möglich. Am Kunsthaus zeigte sich die landwirtschaftliche Nutzung durch mikroskopische Spuren intensiver Bodenbearbeitung und wiederholter Feuereinwirkung (Hitzespuren und Holzkohle) sowie durch verkohlte Getreidekörner und hohe Anteile an Getreidepollen. Das zyklische Überbrennen der Anbauflächen diente wahrscheinlich dazu, die Bodenfruchtbarkeit zu steigern und den Bewuchs nach einer Brache zu unterdrücken.

Die nächsten bekannten Siedlungen der Stein- und Bronzezeit, am Seeufer im Bereich des heutigen Opernhauses, liegen knapp 800 Meter oder 10 Gehminuten entfernt. Die räumliche und die zeitliche Nähe machen wahrscheinlich, dass die Anbauflächen beim Kunsthaus zum Wirtschaftsareal der Siedlungsgemeinschaften am unteren Seebecken gehörten.

Für das 14. bis 17. Jahrhundert lässt sich im Vorgelände der ummauerten Stadt ein Areal mit landwirtschaftlicher und gewerblicher Nutzung fassen. Aussergewöhnlich ist ein zusammenhängendes System von dicht aneinandergereihten Gruben, die mit Kies verfüllt waren. Sie lagen am Wolfbachufer und datieren in das 14./15. Jahrhundert. Ihre Funktion ist ungewiss. Die Nähe zum Bach spricht dafür, dass fliessendes Wasser bei der Nutzung eine Rolle spielte. Dasselbe ist für einen in den Boden eingetieften Pfostenbau mit Steinauskleidung anzunehmen, der im 16. Jahrhundert im gleichen Werkareal am Bach stand.

Archäologisch fassen liess sich das «Judengässli». Der parallel zum Wolfbach angelegte Feldweg ist auf Plan- und Bilddokumenten überliefert. Sein Name könnte darauf zurückgehen, dass er im Mittelalter zum jüdischen Friedhof führte. 1642 wurde das Judengässli beim Schanzenbau rasch zugedeckt und blieb dadurch aussergewöhnlich gut erhalten. Der Weg war rund einen Meter breit, bestand aus einer mehrfach erneuerten Kofferung und wurde seitlich von Entwässerungsgräben mit Staketenzäunen begrenzt. Dendrochronologisch datierte Hölzer weisen in die Zeit um 1600. Im Bereich des Judengässli kamen auffallend viele Buntmetallfunde zum Vorschein, die vom Schanzenwall überdeckt waren. Waren sie zusammen in einem Depot der Erde anvertraut und später umgelagert worden oder handelt es sich um Verlustobjekte?

1642 begann der Bau der neuen Stadtbefestigung im zeitgemässen Bastionärsystem: Prägende Elemente waren die fünfeckig angelegten Bastionen, die die Stadt in einem weiten Schanzenring umschlossen. Die Ausgrabung Erweiterung Kunsthaus betraf den Bereich zwischen der Rämi-Bastion (unter der Kantonsschule) und der St. Anna-Bastion (unter dem Heimplatz). Sie erfasste das Verbindungswerk (Kurtine) dieser Anlagen samt Mauer und vorgelagertem Graben. Die Grabenböschungsmauer (Eskarpe) war sechs Meter hoch erhalten, ursprünglich mass sie neun Meter. An der Stelle stand das Hottingerpörtli, ein abgetragenes Stadttor. Es wurde über einen Fussgängersteg erreicht, der mit einem Holzkanal für den Wolfbach den Graben querte. Der weitere Weg in die Stadt führte unter zwei Erdwällen hindurch und war von Wachhäuschen flankiert. Die Eskarpe stand auf einem Fundationsrost aus Eichen- und Tannenbalken. Die dendrochronologische Untersuchung der Bauhölzer ergab Fälldaten im Herbst 1642. Damit ist dieser Abschnitt einer der am frühesten erbauten der Zürcher Schanzenanlage. 1833 begann der Abbruch mit der Schleifung des Hottingerpörtli. 

Nach der Schleifung der Schanzenanlage baute die Stadt im ehemaligen Graben ein ovales, rund 40 Meter langes Bassin für den Wolfbach. In seiner Anfangszeit diente es als Staubecken und Löschwasserreservoir, bevor der Bach unterirdisch Richtung Limmat geleitet wurde. In den 1860er Jahren änderte die Funktionsweise. Der Bach wurde in einem unterirdischen Kanal eingefasst, so dass das Bassin bei Normalpegel trocken lag. Erst bei Hochwasser ergoss sich der Wolfbach ins Becken und lagerte das mitgeführte Geschiebe auf eigens dafür gepflästerten Bereichen ab. Neben dem Wolfbachbassin lag der Turnplatz der Kantonsschule, über dem Ausfluss erhob sich der hölzerne Turnschopf. Erweitert zur Turnhalle I prägte er zusammen mit der 1902 erbauten Turnhalle II das Areal bis zum Beginn der Arbeiten für die Kunsthauserweiterung im Jahr 2015.