水洞沟考古发掘的主要区域。1923年，德日进，桑志华首先在这里进行了F1至F5发掘，出土了300多公斤的石器。按照考古学的惯例，远古文化往往是以首先发现的地点来命名，因将这里命名为“水洞沟文化遗址”，最早生活在这里的古人类就称之为“水洞沟人”。3万年前，水洞沟人制造石器，主要采用 “锤击法”、“砸击法”、“压制法”。所谓“锤击法”，就是用石锤从石块平面的边缘处打下石片。若石块表面不平整，则先在石块上锤打出一个子整的台面，再进行锤击。用这种方法生产的石片，一般都较长而薄。水洞沟出土的石片，多采用锤击法生产。而“砸击法”则是先在地上放一块石质坚硬的大鹅卵石等作为石砧，用一只手握住放在石砧上的石块，另一只手拿着石锤用力砸击放在石砧上的从石块上打下石片。这样生产的石片，一般狭而薄，这在水洞沟出土的石器中，也较常见。再一种为“压制法”，是先将坚硬的木棍或骨棒的一端修整成尖状，将尖状的顶端放在石核台面的边缘上，然后用石锤敲击木棍或骨棒的另一端，从石核上打下长而薄的石片来。水洞沟出土的一些细小石器，多采用这种方法生产而成。由以上三种主要方法生产石器，就构成了“水洞沟石器工业”，又被称作“清水河工业类型”。水洞沟遗址的发现和发掘，标志着中国没有旧石器时代文化这一论断的终结和中国旧石器文化调查、发掘及研究的滥殇（指事物的起源）。
遗址
新中国建立后，我国政府多次组织古人类学家，对水洞沟文化遗址进行研究和考察。1957年，内蒙古自治区博物馆的汪宇平先生，在内蒙鄂托克旗调查文物时，同时对水洞沟也进行了调查。1960年，中国和前苏联组建的中苏古生物考察队，对水洞沟遗址发掘了6x6米，深11米的探方，出土了约2000件石制品。1963年，我国著名考古学家斐文中教授率队对水洞沟遗址（即I号遗址）东侧进行大规模考古发掘，出土了野驴、犀牛、羚羊、转角羊，野牛、狗、猪和驼鸟等十几种动物化石和1.1万件石器。同时，又发现了新石器时代石斧，石磨盘等遗物。这次发掘首次以明确的地质包含物证明，水洞沟不是单一时代的文化遗地，下层有旧石器时代的遗物，上层有新石器时代的遗物。通过对出土的大量化石、石器、骨椎、装饰物（驼鸟蛋壳穿孔而成，边缘略经打磨）和人类用火痕迹的研究考察表明，不仅距今3万年前，水洞沟地区就有人类在此繁衍生息，而且持续了漫长的时间，他们创造了旧石器时代晚期到新石器时代的水洞沟文化。
遗址1
1964年，我国著名考古学家贾兰坡教授是最早认为水洞沟的尖状器“完全可以和欧州的典型的莫斯特（见前）尖状器相比，不但加工的方法相同，而且器形也毫无二致”。不过在关于水洞沟石器工业（指人工按一定方法大量制造石器）的渊源关系讨论中，学者们更多地将水洞沟文化与山西丁村和板井子的“汾河文化”，以及陕县武窑头沟的“泾渭文化”相联系。1974年，贾兰坡教授又对水洞沟进行了考察。1980年9月，宁夏博物馆和宁夏地质局区调队，在我区著名考古学家钟侃研究员的带领下，又组织了对水洞沟文化遗址为期一个月的第四次考古发掘。除进行了旧石器考古和第四纪（新生代中的第二个纪，也是最近的一纪，延续约一百万年，直到现在。这纪中，地壳和动植物界已经具有现代的样子，特点是有冰川作用，出现过几次大的冰川期，出现了人类。这个时期形成的地层叫第四系。新生代，是地质年代的五个代，延续约五千九百万年，是地质历史的最新的一个代，分为第三纪和第四纪两个纪。在这个时期地壳有强烈的造山运动，中生代的爬行动物绝迹，哺乳动物繁盛，生物达到高度发展阶段，和现代接近，后期有人类出现。第三纪，是新生代的第一个纪，延续约七千五百万年。这纪中，造山运动极盛，海陆变化不定，我国地层在这个时期是大陆。现代最高大的山脉大部分是在这个时期形成的。生物中哺乳动物、鸟类和被子植物最为繁盛。这个时期形成的地层叫第三系。）地层学研究外，还开展了碳14年代的测定和孢粉分析，又出土了古生物化石67件和各种打制石器、石片、刮削器、石箭头、石叶和大量镶嵌工具的石刀片等石制品6700多件，而且首次发现了3件人工磨石。同年，由科学出版社出版的《水洞沟—1980年发掘报告》一书，对于水洞沟文化性质（严格地说是石器打制技术）的认定才算趋于明朗和统一，可谓尘埃落定，即不再进行水洞沟和莫斯特两者之间的对比，而是将水洞沟出土的某些石核第一次直截了当地称为 “勒瓦娄哇（一莫斯特技术）石核”。“这应该是学术界进一步开放的标志，也是《水洞沟》一书最引人注目的地方。”
军府邸遗址
水洞沟80年发掘从下往上（这与新石器以后的考古分层正好相反）共分16层，最下面的3层为晚更新统地层（Q3，属第四纪），而上面的13层均为全新统地层（Q4）。旧石器时代的石制品均出土于2—3层的灰黄色黄土状粉沙层中，即通常称时“水洞沟文化层”，亦即报告中的“下文化层”；上面的13层全新统地层出土的均为新石器时代石制品，除打制石器外，还有细石器、磨制石器和陶片等，在报告中所称为“上文化层”。尽管在地层剖面上包含旧石器文化的晚更新世晚期含钙结核的黄土状粉细砂层与新石器文化相处的全新世河湖相尽的侵蚀不整合面接触，但上下层新旧石器文化间却有着惊人一致相连续的技术传统，其中最为明显的就是勒瓦娄哇—莫斯特技术。“这是一个研究我国旧石器和新石器文化之间连续发展和嬗变的绝无仅有的珍贵材料。”
2003年至2007年8月，由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所所长高星领队，宁夏文物考古研究所和灵武市文物管理所参与，对水洞沟文化遗址进行了第五次系统发掘。来自北京大学，吉林大学的15名考古专业的研究生，本科生志愿者参加了本次发掘。发掘从下往上共分16层，最下面3层为晚更新世地层 （形成约距今100万年），上面的13层均为全新世地层（形成约距今150万年）。
本次发掘重点选择在水洞沟第2地点，以便与第1地点进行地层对比，建立水洞沟遗址完整的地层剖面。发掘根据地貌情况开辟了二个发掘区，第一区地表露出丰富的石制品和动物化石，在剖面层可见火烧烤面和灰烬。随着发掘深度地增加，因地貌地改变和安全隐患地增加，在东部留出两层台阶并将发掘区域向西侧崖壁延伸，发掘面貌为20千方米，探明该地点有五个含文化遗物的层位。在对文化层的局部清理中，发现了丰富的石制品和少量石器标本。
第二发掘区位于第一区的北侧，两者相距10米，地层连续。在紧靠崖壁处挖1X1米挖方16个，发掘面积为18平方米。在对浮土的筛选中，获取到一些植物种子标本。第二地点发掘共获得石制品2664件，另有少量动物化石碎片。
第七地点位于第一地点300米处，发掘面积25平方米。文化层厚50厘米，出土标本2006件，绝大多数为石制品，少量为动物化石碎片。第八地点位于第一地点2000米处，发掘面积16平方米。文化层厚40厘米，出土标本801件，不仅出土了丰富的石制品，而且还出土了8枚用骨片、驼鸟蛋壳制作的环状装饰品，可能是古人类用于制作项链的材料。
根据灵武市文管所水洞沟管理所工作人员提供的线索，发掘队在遗址西部一处坍塌的窖洞内；清理出一具接近完整的人类头骨。专家根据此头骨形状分析，测定为西方人头骨。从头骨的埋葬状况判断此地点非头骨的原始埋藏地。至于为何到达这里，尚是一个谜。
这次发掘在多个地点发掘出多个不同文化层次，出土了丰富的石制品和动物化石5500多件。其中石制品2664件，石核109件，诸如厚背石刀，锯齿刃器、刮削器、雕刻器、凹缺器、石叶等以及长石叶、长身石核数量多。比例大，是水洞沟文化中最引人注目的石制品。第八地点发现的8枚用骨片和驼鸟蛋制成的比纽扣略小的环状装饰品，是目前中国旧石器时代同期制作最精美的饰品，在国内考古界尚属首次发现。它们极大地丰富了水洞沟文化的内涵，为研究当时人类生产力水平，行为模式和审美能力，提供了重要信息。在弃土中获得到的一些植物种子标本，清理出的灰烬等用火遗迹，也有极高的研究价值。时年85岁高龄的中国第四纪研究泰斗，著名地质学家，国家自然科学奖获得者刘东生院士，对此次发掘给予高度评价，称这次发掘为中国旧石器时代考古的“文艺复兴”。
截至目前，对于水洞沟文化的一切研究与论断并非终极结论。据说是从2007年到2008年，将对水洞沟文化遗址，展开新一轮地发掘和研究。我们相信，随着国内外古地质学、古生物学家对水洞沟文化遗址，发掘和研究地逐步深入，水洞沟古人类的生活年代及文化渊源等一系列历史之谜，终将在考古学家不懈地努力下，而大白于天下。
经过上述五次的系统发掘和研究，国内外学者公认水洞沟遗址在中国旧石器时代，特别是旧石器时代晚期文化中占有特殊的地位，对本地区乃至周边地区以后文化的发展都产生了巨大的影响。实事上，水洞沟新石器文化又沿着长城一线向东，向南发展。从现在于灵武市清水营，宁东镇的鸳鸯湖能以及临河镇的三道沟等地区，发现的打制石器有刮削器、砍砸器、磨制的石斧、石锛、石刀、石矛头、石铲以及石磨棒、石磨盘等石器，按照“相似即相关”的定律，都和水洞沟文化有着一定的联系和继承关系。不仅如此，上述地区还出土了灰陶、红陶、夹沙红黑陶等彩陶，既有“仰韶文化”红陶的特点，又有“龙山文化”黑陶的特点，抑或又超出了其范围，它们和水洞沟又共同构成了灵武境内新石器时期的文化圈。裴文中教授认为：“细石器文化在长城附近，遇到了强大有力的彩陶文化的阻止，就停留在长城以北或其附近，更向西沿着戈壁的边缘西进，一直到了新疆。”贾兰坡先生认为：“细石器向北分布的途径可能是从我国的宁夏、内蒙古，经过蒙古和我国的东北部分布到西伯利亚的，最后通过白令海峡分布到北美。”这些都说明，灵武境内的新石器文化与水洞沟文化存在着继承和发展的关系，以及它们在文化传播中的重要地位。
