1954年9月底，大规模的半坡遗址考古发掘工作正式开始，这一工作由石兴邦先生主持。他总结了国内外考古发掘的经验和教训，采用大面积揭露，布开大小面积不同的探方，按文化层的方法进行发掘，所有迹象出土时均保留不动，以待全范围揭开后作观察分析，然后再研究第二步的下掘计划和方法。他主持采用科学的方法发掘清理了一批史前半坡人的房屋、窖穴等建筑遗迹，使人们对遗址的不同遗迹看得清清楚楚，了解得也很深刻。他克服了过去考古发掘打探沟，把遗迹切成条条的不科学做法，得到了考古界的普遍赞赏。科学的发掘为以后的建馆展示保留了一大批完整遗迹。
由于遗址的重要价值，中国科学院考古所连续发掘半坡遗址，直到1957年秋季才结束考古发掘工作。从1954——1957年共发掘了1万平方米，发现了一座距今6720——6140年的史前聚落，约5万平方米，分居住区、制陶区、墓葬区三部分。发现各类遗迹500多座，其中房屋46座、窖穴200座、圈栏2座、灰沟3条、陶窑6座、墓葬250座，还有上万件半坡人使用的生产工具、生活用具和文化艺术品。这一巨大发现为人们认识史前居民的社会组织、生产生活、经济形态、婚姻状况、风俗习惯、文化艺术等提供了具体生动的物证，为弘扬中华远古文化发挥了重要作用，在国内外学术界产生了重大影响。
半坡遗址的发掘是我国史前考古中第一次大面积揭露史前聚落遗址，获得了丰富的史前考古学资料，开创了我国聚落考古学、环境考古学研究的新领域，填补了中国历史上新石器时代的一个重大缺环，使人们对源远流长的中国古代文明有了新的认识。半坡遗址的发掘和研究，是我国新石器时代考古学文化区、系、类型研究的开端，开创了中国史前考古学研究的新局面，具有深远的学术意义。