L'area archeologica è localizzata su una dorsale marnoso-calcarea che domina il corso del rio Mannu, nella Marmilla orientale, nella parte centro-meridionale dell'isola.
Il nuraghe, che ha restituito uno straordinario altare nuragico, è costruito con blocchi di marna. Non se conosce ancora l'intera planimetria, ma si individuano tre fasi costruttive.
La prima fase, forse del Bronzo medio I (XVI-XV sec. a.C.), vide l'impianto di un bastione e di un antemurale con corridoi e celle con apertura ad ogiva gradonata.
Nella seconda fase, del Bronzo medio II (XIV sec. a.C.), sull'edificio si sovrappose un bastione trilobato sinusoidale, che ospitava nel piano inferiore numerose cellette e brevi anditi. Tra i vani del piano superiore, il "vano Bs", sub-triangolare (m 3,60 x m 3,20), risale al Bronzo medio (XV-XIV sec. a.C.). Fu inoltre costruito un nuovo antemurale di quattro torri raccordate da cortine irregolarmente rettilinee.
Nella terza fase l'antemurale fu dotato di un'altra torre (F) e cortine. La torre F (diam. est. m 9,30; diam. int. m 5,60) presenta 11 feritoie, 2 finestre rettangolari sopraelevate ed ingressi al vano inferiore F1 ed al corridoio Ci5. Sulla destra del corridoio d'accesso, sub-trapezoidale (m 1,80 x m 4,50 di h), si apre la scala che conduce al vano F2, sovrastante il vano F1; sulla sinistra si apre ingresso al vano F3. La torre fu riutilizzata a scopo civile e funerario in età tardo punica, romana e altomedievale.
Il vano F1, irregolarmente pentagonale, con volta a "tholos" ribassata, poggia parzialmente sul sottostante corridoio Ci5 della prima cinta esterna. Gli strati superiori hanno restituito reperti tardo-punici, romano-repubblicani e pochi frammenti del Bronzo finale-prima età del Ferro. Dallo strato inferiore di ceneri e carbone, che poggiava sul lastricato pavimentale del vano, provengono reperti del Bronzo recente.
Il vano F2, simile per planimetria al vano F1, ha restituito materiali altomedievali.
Il vano F3, subrettangolare (m 6 x 2,35-1,10), presenta nell'angolo N una nicchia e, nel lato O, l'ingresso al vano scala che conduce al sovrastante vano F4. Al di sotto dei livelli altomedievale, romano, tardo punico e romano-repubblicano, è stato rinvenuto uno strato poggiante su un pavimento in lastre con battuto d'argilla che presenta, nell'angolo N, un focolare con ceneri, carboni e reperti del Bronzo finale-prima età del Ferro; vi venivano forse bruciate sostanze profumate. Un secondo pavimento è coevo alla costruzione del vano, avvenuta nel tardo Bronzo medio-inizi del Bronzo recente.
Il vano E - situato nel livello inferiore del bastione di II fase - fu utilizzato come luogo di culto a partire dal XIV sec. a.C., come testimoniato due focolari rituali. I riti, forse sospesi tra il XIII e l'XI sec. a.C., ripresero tra la fine del IX ed il IX sec. a.C. A tale età risalgono un bancone sedile ed uno straordinario altare monumentale in arenaria in forma di nuraghe, collocato nell'angolo NE.
L'altare presenta sulla sommità una conca destinata alla raccolta dei liquidi i quali, attraverso un canale, scorrevano all'interno di una vasca. Era decorato da quattro else (tre residue) di spade scolpite che sostenevano lame in bronzo. Altri oggetti bronzei, forse lunghi stocchi con figurine antropomorfe ed animalesche, decoravano superiormente l'altare rappresentando presumibilmente il mito alla base del culto. Sotto il coronamento di mensole del terrazzo è scolpito un crescente lunare.
Interrotto tra la fine del VI sec. a.C. e il IV sec. a.C., il culto riprese in età romana, con massima intensità tra il 50 a.C. a 150 d.C. circa. La parte superiore dell'altare fu allora sostituita con un muretto in pietra e malta.
Dal Bronzo medio all'orientalizzante antico attorno al nuraghe si sviluppò un vasto villaggio. Frequentato occasionalmente (VII-VI sec. a.C.), abbandonato (V-IV sec. a.C.) e rioccupato (fine IV-III sec. a.C.), perdurò fino all'alto medioevo, come attestano i resti di complessi edifici e numerosi reperti.

Storia degli scavi
Il complesso è stato scavato a più riprese, a partire dal 1983, da Giovanni Ugas.

Bibliografia
G. Ugas, "Un nuovo contributo per lo studio della tholos in Sardegna. La fortezza di Su Mulinu-Villanovafranca", in Nuragic Sardinia and the mycenean world, 3, a cura di M. S. Balmuth, Oxford, BAR, 1987, pp. 77-128;
G. Ugas, "Il sacello del vano E nella fortezza nuragica di Su Mulinu-Villanovafranca (CA)", in Scienze dell'Antichità. Storia, Archeologia, Antropologia, 3-4, 1989-90, pp. 351-373;
G. Ugas-M.C. Paderi, "Persistenze rituali e cultuali di età punica e romana nel sacello nuragico del vano e della fortezza di Su Mulinu- Villanovafranca (CA)", in L'Africa romana. Atti del III convegno di studio (Sassari, 15-17 dicembre 1989), Sassari, 1990, pp. 475-479.