Пирамида изначально имела отклонение оси запад-восток к югу от востока на 15о28`` и, соответственно, обращена на запад там, где в I веке заходило солнце 30 апреля и 13 августа86, и на восток там, где солнце восходило 11 февраля и 29 октября (интервал между этими днями равен 260 — количеству дней в ритуальном календаре). Следует отметить, что ориентация планировалась тогда, когда пирамиды ещё не существовало, то есть с уровня земли, а когда монумент соорудили, то на его вершине стало ясно, что западная сторона пирамиды ориентирована на закат 29 апреля и 14 августа. Учитывая, что для местных жителей даты 30 апреля и 13 августа были важнее (это подтверждается наличием ориентированных на них и дающих в эти дни световые эффекты так называемых «астрономических пещер 1 и 2» в Теотиуакане и «Пещеры солнца» в Шочикалько), они, предположительно, сначала скорректировали ориентацию храма на вершине пирамиды, а затем и самой пирамиды, когда завершали второй этап строительства87. Кроме того, пирамида Солнца повторяет силуэт находящейся вдалеке горы Патлачике, если взглянуть на неё со стороны пирамиды Луны. А если посмотреть вдоль края западного
Пирамида Солнца расположена над обнаруженной в 1971 году пещерой, которую ранее считали естественным образованием, однако исследования 1994 года показали, что она имеет искусственный характер. Тоннель, расположенный на глубине 6,5 м и протянувшийся на 102 м, могли прорыть между 140—240 гг., то есть либо до строительства пирамиды, либо уже после. При проведении работ теотиуаканцами было изъято приблизительно 263 м3 вулканической породы. Тоннель условно разделяют на три секции: секция A состоит из входа и четырёх выделяющихся прямоугольных больших камер, связанных друг с другом, секция B — из восемнадцати небольших камер, некогда разделённых семнадцатью адобовыми стенами, а секция C — из прохода, переходящего в камеру с четырьмя ответвлениями в виде лепестка. С. Сугияма считает, что данный тоннель был вырыт во время постройки пирамиды специально для того, чтобы использовать его в качестве гробницы правителя, которую после коллапса разграбили. О возможной связи тоннеля с астрономией и наблюдениями за небесными светилами говорил в конце 70-х гг. XX века Д. Дракер — он считал, что из него теотиуаканцы могли видеть точку захода солнца 29 апреля и 12 августа.