1958年，甘肅省文管會在渭水流域普查文物，在秦安五營鄉邵店村東發現大地灣遺址。遺址發現后立即引起政府及有關部門的高度重視。1963年2月被甘肅省人民政府公布為首批省級文物保護單位。70年代，在農田基本建設中，遺址文化層不斷暴露，精美文物時有出土。
1978年秋，甘肅省博物館與秦安縣文化館組成大地灣發掘小組，首先在遺址清水河南岸第一臺地發掘，整個田野考古將遺址分為10個區域。1979年，發掘工作繼續進行。兩次共發掘仰韶文化房基127座、窯址30座、灰坑200多個、墓葬42座。在遺址上首次發現早于仰韶文化半坡類型的文化遺存，即考古學上通常所稱的“大地灣一期文化”或“大地灣文化”遺存。這次清理出的“一期”文化遺跡的分布面積為2000多平方米，遺址地層情況可概略地分為以下幾層：
第一層為耕土層或墊土層，褐黃色，為現代擾土，一般厚0.3～1米；第二層為仰韶文化層，一般厚1～2米左右，最厚處達4米多，文化內涵包括仰韶半坡、廟底溝及馬家窯文化石嶺下、馬家窯等類型的遺跡和遺物；第三層為“一期”文化層，一般厚0.5～0.7米；第三層以下為黃色生土。其中一期文化層清理出墓葬11座，灰坑2個，出土陶、石、骨器等遺物共90余件。這既是甘肅省首次發現的新石器時代早期文化遺存，也是黃河中上游流域繼磁山、裴李崗文化之后發現的時代最早的文化遺存。
1980年，大地灣發掘組在前兩次發掘區的下層，繼續進行發掘，發現文化堆積層共有五層：第一層為耕土層；第二層為現代填土層；第三層為仰韶文化層，內含大地灣五期、六期、七期等遺跡、遺物；第四層為仰韶文化層，內含大地灣二期、三期、四期等遺跡、遺物；第五層即一期文化層。一期文化遺存在二、三、四發掘區都有分布，但主要分布在發掘區中部。同時，在2000多平方米的范圍內，又發現一期房基3座，灰坑1個，墓葬5座，出土陶、石、骨器200余件。考古人員在4000多平方米的范圍內，先后發現一期房基3座、灰坑13個、墓葬16座，出土器物共300余件。同年，甘肅省文物工作隊在第五發掘區發現了一座仰韶文化晚期的大型房屋建筑遺址（編號為F405），距今約5000年。
1982年，甘肅省文物工作隊對遺址進行第五個年度的發掘。發掘點選在邵店村東約1公里處清水河南岸的第二級河谷階地上，總編號為第九區。文化層堆積分為五層，第二至五層均為仰韶晚期的文化層。發掘工作歷時4個月，開探方13個，實際揭露面積1050平方米。共發現房址25座、灶坑8個、灰坑77個、窯址6座，出土陶、石、骨、角、蚌器等1200余件，內屬單一的仰韶文化晚期遺存。這次發掘較全面地揭示了甘肅東部地區仰韶晚期文化面貌。同年10月，在第五發掘區又發掘到一座距今約5000年的繪有地畫的房基遺址（編號為F411）。
1983年，考古工作者開始了第十區的發掘。第十區位于遺址半山腰一修整過的水平梯田上，介于第五區和第九區之間，距清水河1公里許，距河床垂直高度約80米。在第十發掘區發現一座罕見的仰韶文化晚期距今約5000年左右的特大型房址（編號為F901，坐落在第十區北半部）。發掘人員歷經兩年，于1984年8月基本將其揭露出來。
1984年，考古人員繼續對F901房址詳細探查。同時，在第十發掘區首次發現類似于甘肅鎮原常山下層的文化遺存。遺存疊壓于仰韶文化晚期之上，分布面積235平方米，發現白灰面房址2個、灰坑5個，出土少量的陶、石、骨器。歷時七年的大地灣遺址考古發掘至1984年8月暫告一段落，揭露面積達1.38萬平方米，清理新石器時代房屋遺址241座、窯址35個、墓葬76座、灰坑378個、灶址104個、壕溝9條，共獲得出土文物8000余件。
1986年，經省編辦批復，成立了由省文物局直屬的大地灣文物保護研究所。大地灣遺址1988年被國務院公布為第三批全國重點文物保護單位。1994年中共甘肅省委確定為“甘肅省愛國主義教育基地”。1995年進行了補充發掘，共揭露遺址1.4平方米。1999年，省政府劃定公布了大地灣遺址的保護范圍和建設控制地帶。2003年，省政府公布實施《大地灣遺址保護規劃》。2006年《秦安大地灣新石器時代遺址發掘報告》出版。2010年，完成F901原始宮殿遺址道路硬化工程。2011年完成F301區域部分遺址保護棚的建設并實現大地灣博物館免費開放。
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