1978年7月，在甘肃省文化部门的组织协调下，甘肃省博物馆文物工作队和秦安县文化馆抽调人员，组成联合发掘组进驻工地，开始对大地湾遗址进行首次大规模发掘。
考古发掘是专业性很强的工作。为了便于管理，发掘组始终遵循田野考古规程，将计划发掘的遗址区按自然和人为造成的地理现状，划分了10个区域。在发掘过程中，他们采用科学的探方发掘法，对每个区域内的遗址和文化堆积，首先按土质、土色划分地层，然后按照先上后下，先晚后早的次序逐层清理，出土遗物也按其所在区域分别保管和建档。
1978年8月开始的首次发掘，发掘组将地点选定在清水河南岸的第一阶台地上。1979年，发掘工作继续在这一阶地进行。这一阶地地层情况分为四层：第一层为耕土层或垫土层，褐黄色，为现代扰土，一般厚0．3～1米；第二层为仰韶文化层，一般厚1～2米，最厚处达4米多，文化内涵包括仰韶半坡、庙底沟及马家窑文化石岭下、马家窑等类型的遗迹和遗物；第三层为“特殊”文化层，厚0．5～0．7米；第三层以下为黄色生土。当考古工作者发掘到第三层时，令他们激动的事情发生了——他们发现这一文化层出土的陶片极其松脆，色泽不匀，且彩陶片不多，纹饰多为单调的自然绳纹或宽带纹，据此，他们马上意识到这些破碎陶片年代可能早于仰韶文化年代！接下来，与上层已被揭露清理的仰韶文化层面貌截然不同的独特遗存的不断出土，更加证实了他们的推测。
在这层，考古工作者共清理出墓葬13座、灰坑9个、房址3座，出土陶器、石器、骨器等遗物共90余件。从出土器物的特征上看，它与仰韶文化遗存差异较大；从地层上看，它又早于仰韶文化层；从范围上看，大多探方下层均发现这类遗存。难道这是比仰韶更早的文化遗存？带着这一令人兴奋的疑问，考古工作者采集木炭标本迅速送北京进行了14C年代测定。结果正如他们所料——送检的五个标本年代均为距今7300年～7800年，比仰韶文化早了近千年！1981年，这一发掘研究成果一公布，当即轰动了考古学界。
大地湾一期文化，即考古界后来命名的大地湾文化，是甘肃省首次发现的新石器时代早期文化，也是黄河中上游流域继磁山文化、裴李岗文化之后发现的时代最早的文化遗存。正是这期文化，将中华文明史向前推进了整整3000年！
1980—1981年，大地湾发掘组接着在五、六、七、八发掘区继续进行发掘。这几个发掘区的文化堆积层共五层：第一层为耕土层；第二层为现代填土层；第三层为仰韶文化层；第四层也为仰韶文化层；第五层即一期文化层。一期文化遗存在二、三、四发掘区都有发现，但由于受仰韶文化层的破坏，其文化堆积断断续续、完整遗迹不多。第三次发掘，扩大揭露面，考古人员在4000多平方米的发掘范围内，先后发现一期房址3座、灰坑13个、墓葬16座，并出土器物300余件。随后，他们又在第五发掘区发现了一座距今大约5000年的仰韶文化晚期大型房址——F405。
1982年，甘肃省文物工作队对遗址进行第五个年度的发掘。发掘点选在邵店村东约1公里处的清水河南岸第二级河谷阶地上，总编号为第九区。文化层堆积分为五层，第一层为耕土层，第二层至第五层均为仰韶晚期的文化层。发掘工作历时4个月，开探方3个，实际揭露面积1050平方米。共发现房址25座、灶坑8个、灰坑77个、窑址6座，出土陶器、石器、骨器、角器、蚌器等1200余件。第九区纯属单一的仰韶文化晚期遗存，这次发掘较全面地揭示了甘肃东部地区仰韶文化晚期的文化面貌。同年10月，发掘组在第五发掘区又发掘出土了一座距今约5000年的房屋遗址，就在这一编号为F411的房址地面还出土了令人惊叹的珍贵地画。
1983年，考古工作者开始了第十区的发掘。第十区位于遗址半山腰一块修整过的水平梯田上，介于第五区和第九区之间。距清水河1公里许，距河床垂直高度约80米。在第十发掘区，发掘组发现了一座罕见的距今约5000年的仰韶文化晚期特大型房址（编号F901，坐落在第十区北半部）。这座房址的发掘工作历经两年，于1984年8月才基本将其揭露出来。
1984年，考古人员继续对F901房址进行详细探查。这年他们又在第十发掘区首次发现了类似于甘肃镇原常山下层的文化遗存。这期遗存叠压于仰韶文化晚期之上，分布面积235平方米，出土白灰面房址2个、灰坑5个，出土了少量的陶器、石器、骨器。
揭去覆盖土层，移动土方，在一般人眼里是人人能干的简单劳动。其实不然，在考古中挖移土方并不容易，而且愈到文物层愈难挖。由于遗址中的遗存情况十分复杂，稍有不慎就会破坏或损伤各类遗存，所以考古发掘始终都离不开专业人员。如果没有专业考古人员的亲自参与和悉心指导，就连揭去覆盖层这样看似简单的辅助性劳动一般人也干不了。
遗存清理技术性要求更强，所以只能够靠专业人员来完成。那些专业工作者离妻别子，从繁华的省城一头扎进这个偏僻落后的山村，就凭着一种献身祖国文博事业的敬业精神，日出而作，日落而息，他们硬是通过7个寒暑的辛勤工作，硬是通过一铲一铲的移土、一刷一刷的清理，才将那深埋地下的瑰宝呈现在了世人的眼前。
大地湾遗址首次发掘，一开始本来只计划小范围试掘，可接踵而至的重大发现却吸引住了文物工作者，谁也未曾料到始于1978年的发掘工作竟持续了7年之久。7年时间在历史的长河中只是一瞬间，但对每个人来说，人生又有几个7年！当初那些年富力强、正当中年的考古专家，7年后已经皱纹深深，两鬓斑白；而当初那些快乐无忧的年轻小伙，有的远离幼儿娇妻，有的在这里恋爱结婚，7年后他们也都步入了中年。
7年间，考古工作者付出了多少劳动、经受了多少辛苦，无法用数字来表示。不说别的，光是超负荷工作就是经常的事。往往到吃饭休息时间了，但只要手头的文物还未清理完，他们也只能强忍饥饿、继续从事自己的工作……工作就是付出，有付出就会有收获。应该说，大地湾震惊世界的重大考古成果，就是考古工作者辛苦耕耘的最大收获！
大地湾遗址首次发掘，揭露面积1．4万平方米，这么巨大的工程量当然仅靠考古工作队的专业人员是完成不了的。因此，民工的参与不可或缺。大地湾发掘规模最大时，每天投入的民工有上百人。这些民工都是大地湾附近的农民。刚开始他们一点也不懂考古，但在专家的言传身教下，几年下来，他们大都掌握了挖掘技巧，个别脑瓜灵、有文化的还成了“行家里手”。
孙明霞、宋跟雄就是其中的佼佼者。孙明霞有美术特长，她高中毕业后就加入了大地湾考古发掘的行列，她曾为大地湾出土陶器资料的整理工作默默奉献了多年，这期间她还与考古工作队的魏文斌相识相恋，并最终嫁给了他。宋跟雄是大地湾附近赵宋村的回乡知青，他从发掘那天起就一直没有离开过大地湾，在张朋川等考古专家的悉心指导下，他不仅熟练地掌握了田野考古的技能，而且还成长为大地湾遗址的义务讲解员和忠实守护者。
在大地湾，像他们这样的人还有许多。这些人对大地湾遗址的发掘和保护作出的贡献也是不容忽视、不可磨灭的！