1920年，法国传教士比•肖特（P.Schotte）在水洞沟东5公里的横山堡附近发现一具披毛犀头骨和一件打制石器。

1923年，法国神父兼古生物学家德日进（P.Teilhard de Chardin）和桑志华（E.Licent）在宁夏灵武水洞沟发现五个地点，并对第1地点和第5地点进行初步发掘，这是水洞沟遗址的第1轮正式发掘，出土一些石制品和动物化石。这批石制品大多被运至法国，目前收藏于法国自然历史博物馆和人类古生物研究所（Muséum National d’Histoire Naturelle,Institut de Paléontologie Humaine de Paris,France）。

1925年，德日进和桑志华在L’Anthropologie期刊上发表了有关水洞沟区域调查的初步报告Le Paleolithique de la Chine（《中国的旧石器时代》）。

1928年，法国史前考古学家布日耶（H.Breuil）、布勒、桑志华、德日进出版Le Pateolithique de la Chine（《中国的旧石器时代》），公布了有关水洞沟遗址第1地点1923年发掘出土的材料。

1937年，裴文中在介绍德日进等人的工作时使用了“河套文化”的译名，将水洞沟与萨拉乌苏的考古发现合称为“河套文化”，认为它是中国旧石器时代中期文化的代表。

1923年德日进和桑志华在水洞沟1号地点发掘

1928年出版的《中国的旧石器时代》（法文）中刊登的水洞沟遗址位置线图

1963年裴文中（左2）率队考察水洞沟

1954年，裴文中在“纪念北京猿人第一头盖骨发现25周年”会议上做学术报告，指出“河套文化的文化性质，很可能是旧石器时代晚期，而不是中期”。认为水洞沟与萨拉乌苏的石制品有明显的不同，建议摒弃“河套文化”这一称谓。

1957年，内蒙古自治区博物馆汪宇平对水洞沟进行了短暂的调查，采集到50余件石制品。

1960年，中苏联合古生物考察队开启水洞沟遗址的第2轮正式发掘，发掘地点仍为第1地点，发掘位置与1923年发掘坑位相邻。不久中苏关系破裂，第二次发掘中途停止。

1962年，汪宇平将1957年采集到的石制品与萨拉乌苏石器进行对比，在《考古》杂志发表了《水洞沟村的旧石器文化遗址》一文。

1963年8月，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的科研队伍开启了水洞沟遗址的第三次系统发掘。发掘由裴文中院士领队，采取自上而下逐层发掘的发掘方法，首次明确了水洞沟遗址不是单一的旧石器时代文化遗址，而是包含了旧石器时代和新石器时代两个不同时代的遗存，其分界线为第7层，砾石层。

1963年，张森水在参加水洞沟遗址发掘期间调查、发现了第6地点（俗称“小口子遗址”）。

1964年，贾兰坡院士等根据1960年发掘记录和所获得的石制品，在《古脊椎动物与古人类》杂志上发表了《水洞沟旧石器时代遗址的新材料》一文。

1974年，贾兰坡和卫奇对水洞沟遗址进行了考察。考察后，贾兰坡认为水洞沟与萨拉乌苏遗址不是同期的，水洞沟遗址的年代更晚。

1974年贾兰坡（左三）在水洞沟考察

1980年发掘现场

2003年9月在银川召开纪念水洞沟遗址发现80周年国际学术讨论会。会前进行了新闻发布会

1980年9月-10月，宁夏博物馆和宁夏地质局区域地质调查队联合对水洞沟第1地点进行第4轮发掘，位置选于1963年坑位的东北侧。出土了丰富的石制品和部分动物化石及用火遗迹，对含文化遗存的地层做了进一步的划分。

1988年1月，水洞沟古人类文化遗址被国务院公布为全国重点文物保护单位。

1988年，周昆叔、胡继兰考察水洞沟遗址后，在《人类学学报》发表了“水洞沟遗址的环境与地层”一文。

1989年秋，宁夏文物考古研究所王惠民与董居安开始对1980年出土的标本进行观察整理，中科院古脊椎动物与古人类研究所黄慰文做过指导，后整理工作因故暂停。

1999年，张森水在《人类学学报》发表了“小口子史前地点发现的石制品研究”一文，将调查发现的石制品分为细石器工业和非细石器工业两类材料。

2002年春，钟侃、王惠民、董居安及中国科学院地质与地球物理研究所袁宝印、周昆叔等人员重启对水洞沟第1地点1980年发掘出土资料的整理。

2002年4月与2003年4月，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所高星带领团队先后两次在灵武边沟河流域及彭阳地区开展考古调查，新发现20处旧石器时代地点。相关成果发表于《人类学学报》2004年第4期。

2003年6月，《水洞沟: 1980年发掘报告》由科学出版社出版，刘东升院士作序。该报告对1980年在第1地点的发掘收获进行了系统介绍，通过类型学研究判定遗址旧石器时代文化层含勒瓦娄哇技术产品，同时也报道了该地点新石器时代层位的年代测定数据。

2004年发掘第2地点

2005年发掘第7地点

2003年7月19日-9月14日，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和宁夏文物考古研究所联合组队，以高星研究员为领队，对水洞沟遗址第2地点T1、T2发掘区与第7地点、第8地点进行发掘。同年秋，为配合遗址区的管线建设，考古队还发掘了第3、4、5地点。

2003年9月19日-23日，由宁夏回族自治区文化厅、中国科学院古脊椎动物与古人类研究所联合主办的“纪念水洞沟发现80周年学术研讨会”在银川召开。刘东生院士、吴新智院士、吕遵谔教授、张森水研究员等百余名国内外学者参会，高星研究员对2003年度水洞沟遗址区的发掘收获与研究进展做了详细介绍。

2004年7月，灵武市文管所举行水洞沟文物管理所挂牌仪式，召开水洞沟文物保护座谈会，编制完成水洞沟文化遗址文物保护总体规划。

2005年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和宁夏文物考古研究所联合发掘水洞沟遗址第2、7地点。发现第12地点。

2005年，内蒙古企业家王亚伟在政府支持下组建水洞沟旅游开发公司，在专家的建议下开始修建水洞沟遗址博物馆。

2005年7月11日，《宁夏灵武市水洞沟遗址保护总体规划》由国家文物局批准实施。

2006年，水洞沟遗址被列为国家“十一五”文物保护规划重大遗址之一。

2007年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和宁夏文物考古研究所联合发掘了水洞沟遗址第2、7、9、12地点。

2008年4月9日，“水洞沟遗址研究院”成立，高星被任命为院长，钟侃、王惠民为副院长。同时，“中国科学院古脊椎动物与古人类研究所宁夏工作站”在水洞沟关牌。

2008年8月18日，水洞沟遗址博物馆主体工程竣工。

2009年8月，水洞沟遗址区被划定为国家地质公园。

2009年10月，水洞沟景区在中华遗产“最具中华文明意义的百项考古发现”评选活动中，入选“最具文明意义的100个考古大发现”名单。

2010年1月8日，水洞沟景区经国家旅游局质量等级评定委员会评定为4A级旅游景区。

2010年，中国科学院大学王春雪完成博士论文《水洞沟遗址第八地点废片分析和实验研究》，对水洞沟新发掘的第8地点文化遗物进行了系统整理。

2011年，中国科学院大学关莹完成博士论文《水洞沟旧石器时代晚期遗址——古人类植物资源利用的个案研究》，对水洞沟遗址第2地点出土石制品进行了残留物分析。

2011年，中国科学院大学周振宇完成博士论文《水洞沟遗址石制品热处理实验研究》，对水洞沟遗址石制品热处理行为进行了实验考古分析。

2011年5月，由高星、王惠民、贺吉德主编、王亚伟总策划的中英文双语大型画册《水洞沟——穿越远古与现代》由科学出版社出版，以文图并茂的形式对水洞沟遗址的科考历史、研究成果、学术价值、自然与人文风貌及文旅资源做了生动、翔实的介绍。

2011年6月11日，水洞沟遗址博物馆正式落成。该博物馆耗资5600多万元，展陈面积3100平方米，系统展示了遗址发现、发掘和研究的历史，再现了距今4万年至5千年间先民狩猎-采集、生存繁衍的情境。

2011年6月18日，在遗址举办“纪念水洞沟遗址发现88周年暨首届水洞沟文化旅游节”活动及大型画册《水洞沟——穿越远古与现代》的首发仪式，并为水洞沟遗址博物院正式开馆剪彩。

2012年，中国科学院大学彭菲以水洞沟第1地点1980年发掘的部分材料完成博士论文《中国北方旧石器时代石叶遗存研究——以水洞沟与新疆材料为例》，通过技术经济学分析，重建了水洞沟第1地点石器生产的两条主要操作链。

2012年，中国科学院大学李锋以水洞沟遗址第2地点的发掘材料完成博士论文《“文化传播”与“生态适应”——水洞沟遗址第2地点考古学观察》，对该地点发掘材料进行了系统梳理。

2013年6月26日至29日，召开水洞沟遗址发现90周年纪念大会暨国际学术研讨会，由中国科学院古脊椎动物与古人类研究所和宁夏回族自治区文化厅主办，宁夏文物考古研究所、宁夏博物馆和水洞沟遗址博物院承办，以“东北亚旧石器时代晚期人类互动与迁徙”为主题。国内外近200名学者参加了会议。会议期间在高星的主持下还举办了“旧石器时代遗址保护、研究与利用专题研讨会”。

2013年，水洞沟遗址被列为国家“十二五”文物保护规划大遗址之一。

2013年，中国科学院大学仪明洁完成博士论文《旧石器时代晚期末段中国北方狩猎采集者的适应策略——以水洞沟第12地点为例》，对新发现的第12地点材料进行了梳理和研究。

2014年，中国科学院大学牛东伟完成博士论文《水洞沟遗址第7地点遗址成因与石器技术研究》，对第7地点材料进行了系统整理，并对遗址成因和石器技术进行了研究。

2014年-2016年，中科院古脊椎动物与古人类研究所和宁夏文物考古研究所开始进行水洞沟第6轮发掘，发掘点位于第2地点T3发掘区。

2015年8月，宁夏水洞沟景区被国家旅游局评定为国家5A级旅游景区。

2016年，高星、王惠民、裴树文、陈福友等人完成的《水洞沟：2003-2007年度考古发掘与研究报告》由科学出版社出版，该书系统介绍了2003-2007年发掘的第2、3、4、5、7、8、9、12地点考古材料和研究简况，同年该书获首届中国考古学大会“金鼎奖”荣誉。

2016年11月22日，水洞沟遗址被列为国家“十三五”文物保护规划大遗址之一。

2017年，中国科学院大学魏屹完成博士论文《中国旧石器时代个人装饰品研究》，其中有章节对水洞沟2003-2007年发掘出土装饰品的系统研究。

2018年，在水洞沟遗址现场举办了中国第二届旧石器时代文化节，通过面向公众的科普讲座与石器制作等活动形式，普及了史前人类技术与文化生活。

2018-2022年，中科院古脊椎动物与古人类研究所和宁夏文物考古研究所联合进行的水洞沟第6轮发掘转移至第1地点。

2019年，中央民族大学参与发掘。

2020年，李锋、陈福友、高星等人在国际期刊《PLOS One》杂志发表文章，对水洞沟遗址第1地点1963年发掘出土材料进行了系统的介绍和研究。

2021年水洞沟第1地点发掘现场

2020年10月9日，高星在《人民日报》以“水洞沟遗址：科学与人文在这里交融”为题发表文章，介绍水洞沟遗址各项工作的新进展和新成果。

2020年11月13日，高星在《中国文物报》发表长篇文章“水洞沟遗址与‘水洞沟模式’”，介绍和推广水洞沟遗址在政府承担保护管理、学术界承担发掘研究和企业方承担文旅资源开发过程中互助互益、密切互动的经验和所取得的多方面成果，并将其命名为“水洞沟模式”。

2021年6月29日，国家文物局首届旧石器时代考古高级研修班在水洞沟遗址开班，来自四川、山东、山西等地的10位学员和数十位硕、博士志愿者参与。

2021年10月18日，水洞沟遗址入选“第三届中国考古学大会”开幕式公布的“百年百大考古发现”。

2021年11月18日，水洞沟遗址被列为国家“十四五”文物保护规划大遗址之一。

2022年12月29日，水洞沟景区成功入选国家文物局发布的“第四批国家考古遗址公园立项名单”。

2023年8月，水洞沟遗址发现暨宁夏考古百年纪念与学术研讨会在银川市及遗址区隆重举办。