发现这个北京人头盖骨化石的过程也非常艰辛。因为空隙狭窄，清理不久，就只能容几个人腰上系绳下到里面，用汽灯照明进行工作，后来汽灯也嫌大，只好一手持蜡烛，一手拿工具清理。也许是这种刻骨铭心的经历，使当年参与其事的几位老技工在时隔50余年之后，仍然对头盖骨化石的出土记忆犹新。历史会永远记着这个日子，1929年12月2日下午4时，当时正值寒冬，太阳就要落山了，凛冽的北风，让工地上的人们感受到一阵阵的寒意，但人们丝毫不以为苦，仍旧在空隙中紧张地工作着。由于空隙中出土化石很多，裴文中也下来同技工一同工作。一位技工忽然小声说这里有一个圆圆的东西。裴文中赶忙过去，小心翼翼地进行泥土剔除，直至这个圆圆的东西大部分显露，他大喊起来：“人头！人头！”人们纷纷围拢过来，内心里再也抑制不住喜悦，他们的企盼压在心底已经很久很久，而今天，就是现在，神秘的远古北京人终于露出了庐山真面目，他们，则成为幸运的发现者。一时间，人们相互对视，会心一笑，竟然忘记了欢呼，忘记了呐喊。远古的北京人在经过漫长跋涉之后，终于重返人世间！
发现的是一个很完整的头骨，暴露出大部分，其余尚，埋藏在坚硬的沙土中。当时正值冬季，天色已晚，洞中的光线很暗，但是人们都很兴奋，在摇曳昏黄的烛光下继续工作。下面的沙土十分坚硬，给工作带来很大困难，结果直到下工时间，仍然没有能够把头骨完整地取出。许多人主张第二天继续工作，但裴文中心里知晓它的分量，担心过夜会遇到意外，决定使用铁撬。这种方法十分危险，在正规的考古操作规程中是严令禁止的。果然一撬之下，头骨立即碎成很多大小不等的碎片，破坏了这件珍贵文物的完整性，但在当时兵荒马乱的时代，这也是不得已而为之的事情，而且正好借此测量到了北京猿人头骨化石的厚度。日后的修复证明，这件化石受到的损坏是微乎其微的。头骨取出之后，裴文中带领一伙技工凯旋了，把北京猿人头骨化石安置在租用的临时办事处后，他连晚饭也没有吃好，因为他太高兴了。他连夜给翁文灏写了一封信，派专人次日早晨送去，又在第二天早晨发了一个电报给步达生，通知他这个好消息。
当时周口店发掘的背景是，经过两年的正式发掘，到1928年底，发掘到一层十分坚硬的石层，里面包含的动物化石很稀少。鉴于这种情况，当时许多人都认为龙骨山的工作已经接近尾声，这一层坚硬的石层就是北京人居住的洞底，下边不会有化石了。1929年，挖掘龙骨山的动物骨骼化石似乎变得无足轻重了，于是，步林、杨钟健、德日进陆续离开了周口店，只有裴文中坚持工作。在这个大背景下，出土数量多少的动物骨胳化石并不足为奇，但若是发现“北京人”头骨化石，则被认为似乎是天方夜谭。远在北京的步达生在给安特生的信中这样写道：“昨天我接到裴从周口店发来的电报，说他明天（即12月6日）将把他说的一个完整的中国猿人头盖骨带回北平！！我希望它结果变成真的。”分明怀疑北京人头骨化石是赝品。这并不奇怪，一是龙骨山化石地点已不被人们看好，第二则是裴文中太年轻，而且工作时间只有一年，缺乏鉴定经验是很自然的事。然而幸运女神和他们开了一个天大的玩笑，恰恰是裴文中在他们意欲放弃的周口店龙骨山山洞中找到了完整的远古北京人头骨化石。这个头骨化石并非赝品，而是一个真正的远古北京人头骨化石！就在城里的人们竞相猜测，议论纷纷的时候，周口店临时住处的裴文中正忙于对出土的头骨化石加以处理。头骨化石刚出土时潮湿易碎，这样送到北京是不可想像的。当时技术处理设备缺乏，裴文中就采用土法子，带着两位技工轮流值班，生日火盆对化石进行烘烤，以脱去水分，这样化石就结实不易碎裂了。然后在化石外裹以棉纸，依次糊上百膏、麻袋片，这样再烘干以后，坚硬的石膏可以防震，斋麻袋片可以起到缓冲作用。裴文中又在外面裹上棉被，用褥子、毯子捆扎好，这样可以比较放心地上路了。他搭乘房山到北京的长途汽车，在北京西便门接受了例行检查，一路顺利，把北京人头骨化石平安送到步达生手中。步达生立即着手剔除泥土，对头骨进行修复，当人们再看到它时，它几乎是完美无缺的！迟疑多日，神神秘秘的远古北京人首次向人们展示了她的绝代风姿！开始还持怀疑态度的人终于完全相信了这个亲眼目睹的事实。1929年底在北京召开的中国地质学会特别会议，向全世界公布了北京猿人头骨化石发现的消息，这个消息迅速震憾了世界！
1930年，裴文中在室内整理去年周口店运回的化石时，又从中拼出一个相当完整的北京猿人头骨化石。
这两个远古北京人头骨化石的发现轰动了世界，也彻底改变了龙骨山的命运。曾几何时，龙骨山一度处于被抛弃的边缘，来自国外的资助也准备停止了，发掘现场一片冷冷清清，如今的发现，顿时让当时的人们看到了新的希望，龙骨山的发掘工作很快重新开展起来。1930年春，工作队购买了包括龙骨山在内的一大片山地，以便于工作，同时，在山下西边建了一所房子，作为临时办公室，周口店龙骨山的遗址发掘逐渐纳入正轨。1930年的工作包括开掘龙骨山东部的鸽子堂，同时扩大了工作范围，对龙骨山上的浮土进行清理。在清理时，又在发掘地点的上方发现了一个新的遗址，这就是山顶洞，是距今1万年的“山顶洞人”居住、生活的地方。这一年还发生了重大的变革，从简单的掘取动物乃至人类遗骨化石，转变为对遗物及遗迹的全面研究。确认了有人居住在此后，陆续在洞中发现了当时人类使用过的石器，还有古老的“北京人”留下的用火遗迹。工作范围的扩大，需要工人数量也有增加，每天在龙骨山上工作的大约有100余人，上上下下，来来往往，非常热闹。做小生意的也看中了这块地方，卖花生、瓜子、糖的，卖烧饼的，卖油馃子的，在工人休息时纷纷前来叫卖，周口店竟在兵荒马乱的岁月里一度繁荣起来。
热情的工作却没有得到应有的回报，1930年的工作，除了对石器和用火遗迹的发现外，重要的化石材料没有发现。接下来1931年和1932年在龙骨山开展的工作，仍然围绕着东部进行。1933年则重点发掘山顶洞。山顶洞初发现时，步达生认为年代较晚，对其不感兴趣，德日进则认为其中堆积的是现代动物的骨骼，没有发掘的价值，但裴文中没有迷信外国专家，他有自己的见解，坚持的结果。是先试掘一下，看出上物的情况决定是否发掘。试掘开始不久，就从中发现了人类文化遗物——一枚作为装饰品的狐狸牙，牙上有钻孔。接着又发现了三个头骨化石和其他部位骨化石，出土了很多石器和装饰品。幸运又一次降临到裴文中头上，事实证明，他是正确的11934年继续发掘山顶洞，直至发掘到洞底。后来的研究证明，“山顶洞人”距今年代比“北京人”近得多，约在1万年左右，但这个发现同样重大，不仅证明了北京人化石的真实性，解决了古老的北京人的去向问题，而且其丰富的文化内涵，为我国远古的历史断代提供了依据，现在我国旧石器和新石器时代的分界正是以此确定的。
山顶洞的发现虽然很重要，但它与“北京人”确实相隔甚远。在接下来的1935年的工作中，仍然继续着对“北京人”化石的寻找工作。就在这一年，裴文中离开了周口店，赴法国留学，而一直给予周口店发掘工作以巨大支持的步达生则在1934年因心脏病发作不幸去世，他的工作由德国人类学家魏敦瑞接替。从1934年起，虽然周口店龙骨山上整日热闹非凡，但发现的化石只是数量的增加，很少有新的发现。就是在这种情况下，裴文中决定走，而卞美年也打算到加里曼丹去寻找古人类化石。卞美年毕业于燕京大学，对地质学和生物学都有研究，对发掘工作帮助很大。他1931年参加工作队，和他同来的则是另一位“北京人”发现史上的著名人物——贾兰坡。
贾兰坡没有受过大学的正规教育，初到工地时，多管理一些繁琐杂事。但他虚心好学，不仅向专家，也向技工学习各种知识，因此很快就掌握了发掘所需的各类知识。1935年裴文中、卞美年先后离去之后，贾兰坡理所当然地成为周口店遗址发掘工地的总负责人。历史上常常有惊人的相似之处，这一年，贾兰坡也只有25岁，同裴文中接手周口店发掘工作时同龄！贾兰坡工作细致周密，在过去几年中实践的考古学知识和理论让他隐隐有一份责任感，虽然周口店遗址上的几处化石地点似乎已被挖掘一空，但是由于工作或者时间方面的原因，许多地点仍有遗漏。贾兰坡把工作重点放在第一地点和第十五地点上，希冀会有新的获得。但美好的愿望不代表收获，在相当长的时间里，贾兰坡从第一地点到第十五地点，又从第十五地点回到第一地点，忙得不亦乐乎，偶尔有点新鲜的发现，但总体收获甚微。
1936年的工作，仍然比较单调。工地上又来了两位大学生，一位是北京大学地质系毕业的李悦言；一位是燕京大学生物系毕业的孙树森，多少有些热闹气氛了。工作仍然在第一地点开展，第十五地点放弃后，开始发掘第十三地点。但这种热烈场面没有维持多久，先是孙树森对化石缺乏兴趣，与周口店道别，接着雨季来临时，工地停工后回到北京的李悦言对周口店这块“鸡肋”也失去耐心，到山西垣曲搞自己的地质调查去了，于是在9月份秋季开工时，贾兰坡又是孤孤单单地来到周口店龙骨山，执著地寻求他朝思暮想的新发现。