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”。
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。
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。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。
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。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。
