从1960年至今，中国科学院考古研究所洛阳发掘队（今中国社会科学院考古研究所二里头工作队）对遗址的发掘与研究经历了三个阶段：
第一阶段：20世纪60年代初至70年代末 考古人员建立了一至四期文化框架序列，揭示了1号、2号宫殿基址，发现了青铜冶铸遗址，清理了不同等级的墓葬，确定了遗址的都邑性质。
第二阶段：20世纪80年代至90年代 考古人员进行了一系列的抢救性发掘，其中包括铸铜作坊遗址；发现了多处建筑遗址和墓葬，出土大量陶器、青铜器、玉器、漆器、绿松石器等。
第三阶段：20世纪90年代至今 自2001年起，工作队对宫殿区进行系统钻探与重点发掘，发现并清理大型建筑基址数座；对宫殿区及其附近的道路进行了追探，在宫殿区外围，发现了纵横交错的大路；2003年春季，对已发现的道路进行了解剖发掘，并发现了宫城城墙；2004年，又在宫城以南发现了另一堵始建于二里头文化第四期的大型夯土墙以及绿松石器制造作坊等重要遗存。
二里头遗址绿松龙
2011年，经过考古人员一年多的考古发掘，又有一座保存很好的早期大型夯土基址被发掘。此基址台基坐北朝南，总面积超过2100平方米，由至少三进院落及东围墙、东庑组成，至少经过三次修建或增建。考古人员推断，其年代为二里头文化第二期，距今3600年至3700年，这是目前为止发现的年代最早的多院落大型宫室建筑遗址。在宫城东北部、宫室建筑群以北发现的一处巨型坑，总面积约2200平方米，据专家介绍，这一遗址，为探索偃师商城相关祭祀制度的源头提供了重要线索。[5]
2020年10月，二里头遗址考古公布新发现，二里头都城极可能是以纵横交错的道路和围墙分隔形成多个网格。历年，在其中多个网格内发现有不同等级的建筑和墓葬，每个网格应属不同的家族，极可能已出现了家族式分区而居、区外设墙、居葬合一的布局。随着2021年考古工作持续推进，研究人员在道路的南侧、北侧都发现了部分两米宽的夯土墙，与宫城的北墙、南墙分列于平行或在同一直线上，也进一步证实了多网格式的布局。[32]
2021年1月，二里头遗址发现一座高规格夏代墓葬，墓葬内首次出现蝉形玉器。该墓葬极可能是二里头遗址迄今为止发现的随葬品最为丰富的一座。[31]12月，二里头遗址发掘出一处骨器、角器加工作坊及一座较完整的陶窑。[32][33]
2021年12月，二里头遗址考古又有了最新发现，在遗址宫城区的西南角附近清理出多座骨料、角料坑，对以后研究二里头文化骨器、角器的加工流程、加工工艺、城市布局、规划理念等更多问题，提供了重要资料。[34]
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