В медресе Мухаммед-Султана со временем стали хоронить и других представителей царской династии, и постепенно он становился усыпальницей Тимуридов. В 1419 году умерла Огэ-бегум, молодая жена Улугбека — дочь Мухаммед-Султана, и «ее похоронили рядом с отцом в его медресе».[34] В Гур-эмир похоронен и Шахрух — отец Улугбека, поэтому, по преданию, мавзолей был предметом особых забот этого правителя Самарканда.
При Улугбеке склеп был расширен, к основному зданию мавзолея пристроили несколько боковых помещений, облицованных прекрасными изразцовыми мозаиками. Они до сих пор сохранили на портале входных ворот имя Мухаммада — мастера из Персии, производившего эти работы.
Вероятно, во время правления Улугбека внутри центрального помещения была поставлена и ажурная резная решетка из мрамора, при нем же над склепами было устроено несколько вторичных надгробий. В 1425 году, во время похода против монголов, находившихся в верховьях реки Или, Улугбек приказал взять два найденных больших куска темно-зеленого нефрита и доставить их в Самарканд. Здесь их подогнали один к другому, придали форму надмогильного камня и положили в качестве наружного надгробия Тимура.
В июне 1941 года в Самарканде работала археологическая экспедиция Академии наук Узбекской ССР, которой руководил профессор Т.Н. Кары-Ниязов. В задачи ученых входило вскрытие могил Тимура и других представителей этой династии, и археологи с волнением приступили к работе. В огромном саркофаге (2 х 0,75 м), сложенном из массивных мраморных плит, находился деревянный, дочерна потемневший, но довольно хорошо сохранившийся, гроб, покрытый золотошвейным парчовым покрывалом. Из стального в деревянный гроб тело Тимура в свое время переложили тоже по повелению Шахруха, и это более соответствовало строгим правилам ислама, ревнителем которых он был.
С величайшими предосторожностями вскрывали ученые и саркофаг Улугбека — великого ученого Средневековья. Поднимая многопудовую крышку саркофага, ученые очень волновались: окажутся ли в нем останки правителя Самарканда, убитого по приказанию его сына. Тело Улугбека поспешно закопали возле селения, где он был предательски убит, а голову убийцы унесли, и она была выставлена на входной арке построенного им на площади Регистан медресе. Но, к великой радости ученых, череп великого астронома лежал на небольшой глиняной подушечке, аккуратно приставленной к костям плеч. Вероятно, во времена правления Абдуллы (племянника Улугбека) останки ученого перенесли в Гур-эмир и погребли в ногах Тимура. Тогда же на склеп положили намогильную плиту, в надписи на которой упомянули, что Улугбек погиб от рук отцеубийцы.