從1978年到1995年,大地灣總共發掘面積14752平方米。相繼清理新石器時代房屋遺蹟240座、灶址98個、柱基2處、灰坑和窖穴325個、墓葬65座、窯址35座以及溝渠12段。出土陶器4147件、石器1931件、骨角牙蚌器2227件、獸骨17000多件以及數十萬殘陶片。依據地層關係及出土物,劃分為五個文化期:主要包括前仰韶文化、仰韶文化早中晚期和常山下層文化。
第一期文化遺存是大地灣最早的遺存,可稱為前仰韶文化或大地灣文化,碳測年代數據約為距今7800年-7300年(經校正,下同)。最早的一個數據是7800年,有正負200年的誤差,所以也可以說距今約8000年。聚落建於較低的河旁二級階地。房屋系地穴較深的圓形半地穴建築。陶器大多為圜底器、三足器,流行交錯繩紋,缽形器口沿內外常飾紅色彩帶,這是我國最早的彩陶,也是甘肅彩陶的源頭。發現了糜子的碳化顆粒,這是我國發現的最早的穀物。
第二期文化遺存屬於仰韶文化早期,碳測年代數據約距今6500年-5900年。聚落由壕溝圍成橢圓形,中心繫廣場和公共墓地,房址以廣場為中心呈扇形多層分布。房屋大多為長方形或方形半地穴建築。發現15座成人墓葬、6座兒童甕棺葬。陶器典型器物為圜底缽、迭唇或卷唇盆、葫蘆形口尖底瓶、侈口雙唇深腹罐、弦紋淺腹罐、斂口甕、尖底缸等,彩陶主要為黑彩,圖案有寬帶紋、生動活潑的魚紋及各種直線、圓點、弧線構成的幾何紋。有成套的農業加工工具,如碾磨石、棒、盤等,發現較多的碳化粟。少量的玉鑿、玉錛此時已出現。二期遺存與陝西關中的半坡類型大同小異。
第三期文化遺存屬仰韶文化中期,年代大約為5900年-5500年。聚落已擴展到河邊Ⅲ級階地後緣以及山腳下。房屋仍為長方形或近方形半地穴建築。典型器物有斂口平底缽、曲腹彩陶盆、雙鋬盆、雙唇口尖底瓶、腹飾弦紋、繩紋的鼓頸罐和短頸罐、大口小底缸、曲腹甕等。彩陶發達,絕大多數為黑彩,圖案絢麗精美,線條生動活潑,有弧邊三角紋、勾連紋、花瓣紋、豆莢紋、網格紋等,主要由圓點和弧線組成。
第四期文化遺存為仰韶文化晚期,碳測年代數據約距今5500年-4900年。聚落主體坐落在背山面河的山坡上,山坡中部以F901、F405、F400大型原始宮殿式建築作為公共活動中心,周圍分布著數個房址密集的居住區,形成眾星捧月的格局。房屋均為平地起建的長方形或近方形建築,平面大多呈「凸」字形或「呂」字形,居住面有草泥土、料姜石、白灰面,以輕骨料、砂石、料姜石粉混凝而成的類似現代水泥地面等。其中,以佔地面積在420多平方米、多間複合式的F901代表了仰韶文化晚期取得的輝煌建築成就。袋狀窖穴內常出有成組器物和碳化糧食。陶器以斂口缽、平底碗、淺腹盆、平沿或喇叭口尖底瓶、矮頸或高細頸壺、侈口夾砂罐、尖唇或方唇或圓唇缸、圓唇夾砂甕、四足鼎等為主要器形。彩陶以黑彩為主,少量為紅彩,有弧線三角紋、花瓣紋、漩渦紋、網格紋、平行線紋等。還有個別的蛙紋、寫實動物紋。部分石器製作相當精細,石刀數量增多,顯示了農業的迅猛發展。
第五期文化遺存為常山下層文化,年代大約在距今4900年-4800年前後,僅出土少量遺蹟遺物。這類遺存在渭河流域是首次發現,主要分布在海拔1550米以上的半山地區。房址為平地起建的白灰面建築。陶器開始使用橫籃紋。這是仰韶文化向齊家文化的過渡性遺存。
大地灣遺址發現房址240座,類型多樣,變化複雜,時間跨度約為3000多年左右,構成一個從早到晚的完整序列,可謂一部史前建築的發展史。四期F901則是目前所見我國新石器時代面積最大、工藝水平最高的房屋建築,它既集中體現了我國傳統土木建築的特點,又開了後世宮殿建築的先河。F901以長方形主室為中心,主室面積131平方米,東西中軸線長16米、南北中軸線寬8米。兩側擴展為與主室相通的東西側室,左右對稱;主室後面設單獨的後室,前面有附屬建築,前後呼應、井然有序、主次分明,形成一個結構複雜、布局嚴謹、佔地總面積達420多平方米的建築群體。其居住面大部分保存完好,以輕骨料、砂石、料姜石粉混凝而成的類似現代水泥地面。它應是大地灣乃至清水河沿岸的原始部落的公共活動中心——一座宏偉而莊嚴的部落會堂。
大地灣遺存為甘肅東部史前考古樹立了距今7800年-4800年的斷代標尺,建立起較為完整的史前文化發展序列,使西北地區新石器考古研究取得了突破性進展。大地灣考古以不容置疑的事實表明甘肅是中華文化和文明的重要發祥地之一。大地灣四期宏大的聚落或許將之視為城址的前身更為妥當。它的出現標誌著原始社會正處在向文明社會轉折過渡的重要階段。