Το κάστρο της Μελίβοιας είναι ένας οχυρωμένος οικισμός, έκτασης 2,1 εκταρίων, που βρίσκεται σε μικρό λόφο στα βόρεια της Βελίκας, 500μ. από την ακτή. Σύμφωνα με τον Όμηρο βασιλιάς της Αρχαίας Μελίβοιας ήταν ο Φιλοκτήτης, ένας εκ των βασιλιάδων που συμμετείχαν στον Τρωικό Πόλεμο. Κατά τη διάρκεια των ανασκαφών ήρθαν στο φως ευρήματα που επιβεβαιώνουν την αναφορά του Ομήρου.
Η ανασκαφή στο χώρο ξεκίνησε το 1995 με χρηματοδότηση αρχικά από την Κοινότητα Μελιβοίας. Από το 2008 ο Δήμος Μελιβοίας συνεργάστηκε στενά με την 7η Εφορία Βυζαντινών Αρχαιοτήτων, διέθεσε το αναγκαίο προσωπικό για τους καθαρισμούς και στη συνέχεια ανέλαβε το κόστος της τοπογράφησης και της μελέτης ανάδειξης, ούτως ώστε το 2011 το έργο ανάδειξης του κάστρου να ενταχθεί στο ΕΣΠΑ από την Περιφέρεια Θεσσαλίας.
Με την στερέωση και ανάδειξη του ανατολικού και νότιου τμήματος της οχύρωσης από την Εφορία Αρχαιοτήτων την περίοδο 2011-2013 το κάστρο κατέστη επισκέψιμος αρχαιολογικός χώρος, με αρκετούς επισκέπτες κάθε χρόνο ενώ αναφάνηκαν πολλά αρχαιολογικά ευρήματα, τα οποία μετά τη συντήρησή τους από την Εφορία εκτέθηκαν στην Αρχαιολογική συλλογή Μελιβοίας, που ιδρύθηκε το 2010 στο κτίριο του σχολείου. Τόσο το κτίριο της Αρχαιολογικής Συλλογής, όσο και των αποθηκών για τη φύλαξη των ευρημάτων διατέθηκε από το Δήμο.
Από το 2011 o Δήμος Αγιάς εκτελεί επιστημονικό πρόγραμμα συνεργασίας με την 7η Εφορία Αρχαιοτήτων και το Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας, με αντικείμενο την ανασκαφή της εκκλησίας του Κάστρου. Σκοπός του προγράμματος είναι να αποκαλυφθούν πολλά σημαντικά κτίρια και ευρήματα, που καθιστούν το χώρο διεθνώς γνωστό, ως οχυρωμένο οικισμό της εποχής του Ιουστινιανού, κτισμένο πάνω στα ερείπια της αρχαίας Μελίβοιας.
Κατά τη διάρκεια της περιόδου ανασκαφών φοιτητές από το Τμήμα Αρχαιολογίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας συμμετέχουν στην ανασκαφή. Χωρισμένοι σε ομάδες για να καλύπτεται όλη η διάρκεια της ανασκαφικής περιόδου ο Δήμος Αγιάς αναλαμβάνει τη στέγαση, τη σίτιση και τις μετακινήσεις από και προς την ανασκαφή καθώς και τη συμμετοχή τους σε επίσημες εκδηλώσεις που διοργανώνονται στα πλαίσια της ανάδειξης του Κάστρου.
Τα συμπεράσματα προβάλλονται σε επιστημονικά συνέδρια, καθώς και σε τοπικές ημερίδες, που γίνονται κάθε χρόνο στο Θέατρο Θάλασσας στη Βελίκα. Το 2017 πραγματοποιήθηκε έκθεση των ευρημάτων στο Διαχρονικό Μουσείο Λάρισας.
