1923年

第一次发掘

在水洞沟采集的值得注意的材料（至少有三分之一），可以同我们欧洲、西亚和北非已演变的莫斯特人类栖居地的材料相提并论。——步日耶(H.Breuil)

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。这次发掘进行了12天，有10位中国民工参与，发掘面积80多平方米，出土了300公斤以上的石制品和野驴、鬣狗、羚羊、牛、犀牛、马等遗骸动物化石。还有较多的鸵鸟蛋碎片。该遗址石器组合在中国旧石器文化体系中独具特色，显示了与欧洲和蒙古、西伯利亚地区旧石器时代中晚期石器文化的联系，受到了中外史前考古学界的强烈关注。水洞沟遗址的发现和发掘，纠正了“中国没有旧石器时代文化”的论断，揭开了中国旧石器时代文化考古和研究的新篇章。

1960年

第二次发掘

这次从水洞沟发现的石器，在类型上既有旧石器时代中期的文化性质，同时也具有后期的特征。——贾兰坡

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。在第1地点发掘出土了约2000件石制品。此后，贾兰坡、盖培、李炎贤先生根据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。该文将发掘地点的地层由上到下划分为8层，使用的全部材料出自于第2层灰黄色粉砂土层，被称之为水洞沟第一文化层。认为水洞沟遗址典型的和代表性的石器有尖状器、刮削器和砍斫器。这些石器，完全可以和欧洲旧石器时代的石器相比。“这次从水洞沟发现的石器，在类型上既有旧石器时代中期的文化性质，同时也具有后期的特征”。

1963年

第三次发掘

在旧石器时代晚期，存在着广泛的文化交流，似乎有一群掌握莫斯特和奥瑞纳技术的人群在河套地区、黄河沿岸活动过。——张森水

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，在第1地点出土了大量的动物化石和石制品。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包含了旧石器时代和新石器时代两个不同时代的遗存。张森水对其中的非细石器工业制品进行研究后认为，其时代可能为旧石器时代晚期的最后一个阶段，并提出了一种假设，即在旧石器时代晚期，存在着广泛的文化交流，似乎有一群掌握莫斯特和奥瑞纳技术的人群在河套地区、黄河沿岸活动过。认为这个地点存在的细石器工艺制品属于新石器时代。与德日进、桑志华当年在此调查后的认识相同。

1980年

第四次发掘

构成水洞沟文化基础的一些石制品和工具……，都可以和欧洲甚或西亚、北非的莫斯特、奥瑞纳文化进行全面比较，它们之间的相似处甚多。这种现象，为我国已发现的旧石器时代晚期文化所仅有。——钟侃 王惠民

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。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。 这次发掘地点选在1963年发掘坑位的东北部，坑位呈不规则方形，发掘面积约52平方米。根据地层沉积物的差别，这次发掘共分为16个地质自然层。共发掘出土了动物化石15种、63件。出土了刮削器、石核、磨石、石叶、砍斫器等石制品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；认识到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。

2003年

第五次发掘

中国旧石器时代考古学"文艺复兴"的标志。——刘东生

2003—2007年，宁夏文物考古研究所和中国科学院古脊椎动物与人类研究所联合考古队，对水洞沟遗址分4个年度进行了第五次考古发掘。国内10多所院校的20多名专家和博士研究生先后参加了这次考古发掘活动。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，出土的出土各类石制品8360件、包括烧骨在内的动物骨骼化石818件、动物牙齿33件、鸵鸟蛋皮化石4件、环状装饰品69件、植物残骸2件、烧土标本2件。考古队在第4地点清理出的一具下颌骨缺失、近于完整的人类头骨化石，对探索水洞沟文化的来源和晚更新世人类的迁徙具有重要意义。此次发掘工作，在我国首次采用了与国际接轨的新方法，获得了较为完备和准确的全方位信息。并在多个地点，发掘出多个不同的文化层位，扩大了对水洞沟遗址时空范围的认识，为寻找水洞沟文化来龙去脉提供了资料，建立了水洞沟地区——黄河新的5级阶地认识。本次发掘过程中的一系列工作、教学程序的设计和实施，推动了中国旧石器考古学田野发掘和标本处置规范的建立及专业人员业务水平的提高。中国第四纪研究的泰斗刘东生院士高度评价了此次发掘的组织实施和教学活动，称其为“中国旧石器时代考古学‘文艺复兴’的标志”。

2014年

第六次发掘

也许生活在水洞沟的当地人正是石器时代欧洲混血的后代。——高星

2014年6月，中科院古脊椎动物与古人类研究所、宁夏考古研究所专家及北京大学博士生对水洞沟遗址进行第六次考古发掘活动，还有多名外国科学家、国内旧石器专家及学者前来参与同时参与。考古发掘领队是亚洲旧石器考古联合会副主席、原中国科学院古脊椎动物与古人类研究所副所长、北京大学博士生导师—高星。考古学家将在芦花谷的2号遗址发现区内的15平方米范围内进行。高星指出：“扩大发掘范围，虽然能够找到更多考古材料和线索，但由于目前考古技术水平有限，还是会对原始遗址环境造成破坏。为了保护遗址，我们缩小了考古发掘的范围。这样，我们能留给后来的研究者更多的发掘空间，也许那时的科考技术会更先进，科考人员在得到更多考古线索的同时又不至于破坏遗迹。