第一次考古发掘 (1923年)
1923年,法国古生物学家德日进和桑志华在宁夏灵武的边沟河流域发现水洞沟遗址,这是中国最早发现的旧石器时代遗址之一。当时他们对水洞沟遗址命名了5处地点(第1—5地点),并对第1地点进行了首次发掘,出土了大量的石制品和动物化石。其中石制品就有300公斤以上,动物遗骸化石有野驴、鬣狗、羚羊、牛、犀牛、马等,还有较多的鸵鸟蛋碎片。
第二次考古发掘 (1960年)
1960年,中国和前苏联组建的中苏古生物考察队,对水洞沟遗址进行了第二次考古发掘。在德日进曾经发掘过的第1地点挖了长宽各6米、深11米的一个探槽,出土了约2000件石制品。此后,贾兰坡、盖培、李炎贤先生发掘记录和所得的石器材料,于1964年2月整理发表了《水洞沟旧石器时代遗址的新材料》一文。
第三次考古发掘 (1963年)
1963年8月,裴文中先生率领中国科学院古脊椎动物与古人类研究所考察队,对水洞沟遗址进行了第三次考古发掘,第1地点出土了大量的动物化石和石制品。宁夏博物馆协助工作。这次发掘采取自上而下的方式逐层进行。在“河湖相粉砂下的底砾中,发现了磨光的石器和石磨盘,因此可以证明它的堆积时期是全新世,是新石器时代,而不是旧石器时代”。从而第一次明确了水洞沟不是单一的旧石器时代文化遗址,而是包含了旧石器时代和新石器时代两个不同时代的遗存,只有底砾层(即第7层)下部才是旧石器时代晚期的遗存,代表水洞沟文化的面貌。
第四次考古发掘 (1980年)
1980年9月4日—10月11日,宁夏博物馆和宁夏地质局区域地质调查队组成联合发掘队,对水洞沟遗址进行了第四次考古发掘。在发掘过程中,中国科学院古脊椎动物与古人类研究所贾兰坡、黄慰文先生、中国科学院地质与地球物理研究所周昆叔先生等亲临现场精心指导。这次发掘共出土动物化石15种、63件,均为破碎的残骸,包括碎屑在内。石制品6700件,其中仅旧石器时代晚期层位出土的石器就有5500余件。这次发掘进一步肯定了水洞沟遗址的地层可分为晚更新世和全新世早期两个时期;认识了石制品中存在大量的有意识截断的石叶,是用来合成镶嵌工具的“刀片”,这种认识在国内已发表的旧石器文化遗址发掘报告中似乎未曾见到过。
第五次考古发掘 (2003—2007年)
2003—2004年,中国科学院古脊椎动物与人类研究所和宁夏文物考古研究所联合考古队,对水洞沟遗址进行了第五次考古发掘。中科院古脊椎动物与古人类研究所、宁夏文物考古研究所、北京大学、吉林大学、厦门大学、郑州大学、中科院地质与地球物理研究所、中科院地球环境研究所、浙江考古研究所和云南考古研究所等10个单位的专业人员21人,参加了这次考古发掘。
共出土各类标本14759件。在多个地点和地层中发现的大量烧灰、烧土、炭屑等用火的遗迹和与之相关的生活遗迹,为研究当时水洞沟人的生存状况和行为方式提供了重要证据。出土的环状装饰品,是迄今发现年代最早的磨制工艺品,其精美程度为我国旧石器文化中所仅见,极大地丰富了水洞沟的文化内涵,为研究当时人类生产力发展水平、技术演化、艺术品加工使用情况及其行为模式和审美能力提供了重要资料。