就目前所知，南越王宫署由南越王宫殿和御花园两大部分组成。南越王宫署存在多历史谜团。
一、“番禺城”存在之谜
南越王宫殿目前只挖掘出一号殿的一部分和二号殿的一角，350 多平方米的发掘只占儿童公园东南一个角，整个宫殿最精华的部分还在2万多平方米的儿童公面。宫殿也找到了，但是在宫署之外还有没有一个城？据史料记载，秦末汉初时期全国有十多个商都，而岭南就只有“番禺”这一个重要都，来这里经商的人不少都财运亨通，发达者众。按照考古专家推测，南越王宫署应该还有贸易区（市）、老百姓生活区（坊、里）以及城墙等等，然而这些东西目前点出土的迹象都没有。因此，古番禺城的存在仍然是一个谜。
二、印章上的“老外”头像之谜
在南越王宫的宫殿发掘现场，人们可以看到多个朝代的珍贵遗迹错落交叠：2000前的南越王宫、1600多年前的东晋古井、1000多年前的唐末漫道等等。在堆积成出土物件中，最令考古学家感到兴奋的是一枚大约5厘米高、质地坚硬、未完成牙印章。别看这枚象牙印章只有一只核桃大小，上面还有一道裂痕，来头却实在单。首先，这枚象牙印章刚好出土在唐代的漫道上，在它的周围还有一些象牙材料、、外国玻璃珠等文物，广州出土的唐代文物向来非常有限，直令广州的考古学家盛唐不盛”之叹，它的出土正好弥补了这一不足。同时南越王墓曾出土过五根象明清时期的大新路是有名的象牙作坊，这枚唐代象牙印章也使广州的象牙工艺制中间的空白得以填补。
其次，该印章虽然没有打磨完成，也没有挑字署名，其上却大有乾坤：上面的无论从脸形还是发式上来看，都是一个明显的外国人头像。从开关上看，这枚印是中国传统的长方形或正方形，而是椭圆形，而西方印章的形式正是以椭圆形为种种迹象表明，这是枚给外国人刻的印章，反映了当时广州外国人的存在。这一非同小可，因为据文献记载，唐代广州聚集了数万外国人，尤其以西亚阿拉伯人为但苦于缺乏具体物证。
但这枚印章上面的“老外”到底是哪一国人？当时的广州外国人的数量有几何些谜底仍待揭开。
三、南越王宫“石头城”之谜
在考古学界有一个共识：中国古代建筑以木结构为主，西方古代建筑则是以石为主，一木一石，形成中国与西方在建筑文化上的分野。过去一般认为，中国建筑在以后才大量使用石质材料，但是在刚刚出土的南越王宫殿和以前出土的南越王御花都发现了大量的石质材料，诸如石柱、石梁、石墙、石门、石砖、石池、石渠等等。
有人认为，整个南越王宫署的石建筑普及程度，可以用“石头城”来形容，甚的结构与西方古罗马式建筑有相通之处，这在全国考古界都是罕见的。有行内人出，南越王宫署独树一帜的石建筑，是否意味着当时的广州（番禺）已经引进了西建筑技术和人才？如果这些“外籍建筑工程师”真的存在，那么中外建筑文化交流得重新谱写了。当然，这些猜测都还只是一个谜。
四、石渠流向图形之谜
专家预言，南越王宫殿全部出土后，将可以见证南越王宫署当时的辉煌。其实前在王宫一侧发掘的御花园，光一条曲流石渠就可见到“皇家霸气”之端倪。
这条曲流石渠约180米长，由北向南，再向东，注入一弯月形石池后又继续西蜿蜒贯穿整个御花园。这条以观赏潺潺溪流为主要功用的渠道，说不定还大有别有一张非常有趣的示意图：图的上部分是黄河“几”字形走向图，图的下部分也是字形走向的南越王御花园中的石渠流向图，只是前个“几”字向北，后一个“几”南，总体的形状有着惊人的相似。有专家猜测，这种惊人的相似不一定是巧合，也是南越王赵佗当年“觊觎中原”的“野心”所在。对此，有人说了一段南越王赵佗的轶事，秦末当政者对当时赵佗在岭南称“南越王”心有不悦，但知其并没有什么企现在看来，如果这张示意图早2000多年让秦王知道，恐怕赵佗也不会有105岁的猜测毕竟是猜测，实情到底如何，恐怕只有泉下的南越王自知。
五、“龟鳖石池”上的建筑之谜
目前引起参观者最大兴趣的，倒是御花园中东南角的弯月形石池。这个深约 1.5 石池出土时，仅存两列大石板和两根带榫的石柱，近池底还发现成层的龟鳖残池壁西边顶上还有三条呈放射式的石地梁，端部各有一口拳头大的榫眼，形如牛有专家称此为“牛鼻石”。有专家断定，这些遗迹给人们以珍贵的启示：在这些石板、石柱和牛鼻石之上，会个不同凡响的建筑覆盖整个石池，很可能是整个南越王宫署中最具亮点的一个造型。那是一个怎么样的建筑呢？南越王宫署筹建处特别举行了一个“弯月形龟鳖池复原设想方案展览”，现在在一旁就有华南理工大学建筑系的师生提出来的几种有关设想：有人认为是一个王后宫歇息赏水赏龟的凉亭；也有人认为是一个池上舞台；还有人认为是一造型的曲桥。但种种设想，还必须与原有的建筑设施和榫眼等相吻合，具体到这一点，包括北京、香港方面的许多专家都感到迷茫。2000多年前的石池上盖建筑的结构如何，看来又成了一个历史之谜。据了解，随着南越王宫殿的进一步挖掘，南越王宫署独有的“历史之谜”还会有更目前值得一提的还有“带刺的瓦当有什么功用”？“黑皮黑肉的鹅卵石来自哪里”？。考古专家认为，历史遗迹的越不完整，留给后人的想象空间越大。南越王宫署的谜团，会带给您怎么样的想象空间呢？