尽管当时徐旭生对这处遗址作出的判断后来证明有误，但却由于他的首次发现和随之而来的数十次发掘，使二里头成为国内外学术界最引人瞩目的古文化遗址之一。它不仅成为学者们探索夏史和夏文化的关键所在，也成为探讨中国国家和文明起源无法绕开的圣地。
鉴于二里头遗址在考古学上所具有的巨大潜力和学术价值，赵芝荃等人回到洛阳工作站之后，很快向中国科学院考古所写报告，请求率部移师对二里头遗址进行发掘。此后不久，河南省文管会也得知了二里头发现重大遗址的消息，并决定派队前往发掘。于是，1959年秋，得到批准的中国科学院考古所洛阳工作站以赵芝荃为首的十余人与河南省文管会派出的一个专门由女性组成的“刘胡兰小组”，几乎同时进驻二里头遗址展开发掘。
1960年，考古所的大批人员遵照当时的政策要求，下放山东省曲阜劳动锻炼，赵芝荃也在其列。二里头遗址的发掘工作暂时由北京大学考古系毕业不久、年仅24岁的殷玮璋负责。而这个时候河南省派出的“刘胡兰小组”也由于其他的原因撤出了发掘工地。整个二里头遗址在以后的若干年内，只有中科院考古所下属的二里头工作队独家进行发掘。
1961年，赵芝荃从山东劳动改造的运动中解脱出来，重赴二里头主持发掘工作。此后，在为期40年的时间里，在赵芝荃、方酉生、殷玮璋、郑振香、高天麟、郑光、杜金鹏、张立东等几十位考古学家的不断努力下，二里头遗址的文化面貌基本揭示出来。“所知范围总面积约3平方公里，文化堆积甚厚，内涵十分丰富”。遗址的文化延续时间经历了相当长的岁月，粗略估计前后约400多年。就具体内容而言，文化遗迹中有大、中、小型各类建筑遗址，其中有宫殿、陵寝、台坛、祭祀性设施、各阶层的居室以及手工业如铸铜、制骨等作坊，此外还有陶窑、水井、道路、灰坑、墓葬等。尤其令人震惊的是，在遗址中部发现的被称为第一、二号两座宫殿基址，规模宏伟，气势壮观，颇有王者气象。第一号宫殿面积达1万多平方米，其周围有回廊，而东、南、北三面则为复廊，南部有三个门道的庑式大门，院内北部是30.4米×11.4米的大殿台基。第二号宫殿的大殿略大于一号宫殿，殿后有一大墓，从性质上推断这个宫殿当属宗庙、陵寝之类。就整个一、二号宫殿的气势和规模而言，在整个商代考古史上罕有其匹者，“其平面安排开创了我国宫殿建筑的先河”。仅从台基的面积来看，甚至可以与北京故宫的太和殿匹敌。如此规模庞大的宫殿基址，考古学家前后花费了20多年的时间，才使其完整地重见天日。后经研究者推断，这两座宫殿都属于二里头文化三期，在这一时期中，二里头文化进入了它最繁荣辉煌的鼎盛时代。也就在这个非凡时代的遗存中，出土了大量的玉器、铜器和陶器。其玉器多为圭、璋、戈等礼器，这些礼器在整个玉器和礼器发展史上具有承上启下的开拓作用。而出土的青铜容器和武器形状之独特，皆为中国之首次发现。尤其是镶嵌绿松石的铜牌饰种类繁多，其选料之精、制作技术之高超、纹饰之精美，在整个商代考古史上从未有其先例，堪称国之重宝。
由于二里头遗址的发现和发掘是中国考古学史上最重大的事件之一关于它的时代、文化性质、遗址性质等等问题备受学术界关注。1962年，考古学大师夏鼐把此类文化遗存命名为“二里头类型文化”，之后又根据新的发掘进展，将这一文化遗存命名为“二里头文化”，这一新的考古学文化的命名，更加突出了二里头遗址的典型性和代表性，从此二里头遗址的影响更为提高和扩大，二里头文化成为考古学上一个十分重要的文化概念。
随着二里头遗址蜚声中外，这个遗址的时代和具体是历史上哪个帝王所在都城的问题，渐渐成为学术界一个无法回避和亟待解决的问题。
1974年，二里头考古队在发表的一篇题为《河南偃师二里头早商宫殿遗址发掘简报》中，根据地层关系和器物形制的变化，明确将二里头遗址分为四期，并对遗址中的宫殿和遗址的性质作了如下结论：“这座宫殿建筑属于二里头遗址三期，并根据放射性碳素测定相当于商代早期。”又说：“二里头遗址西距洛阳汉魏故城仅4公里，距隋唐东城不足20公里，这一带披山带水，形势险要，为历代建都之地。《汉书·地理志》河南郡偃师县下注‘尸乡，殷汤所都’。自此以后，近两千年来，关于汤都西亳问题，众说纷纭，莫衷一是。通过对二里头遗址的发掘……进一步确定了遗址中部的夯土台基是座商代早期的宫殿建筑，为汤都西亳说提供了有力的实物证据，从而二里头的性质问题也就清楚了。”
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