文物部門曾於1976～1981年對該遺址進行過初步發掘，發現有房址、灰坑以及土坑墓、石槨墓、甕棺葬等，出土陶、玉、石器等數百件，尤以磨制玉器十分精細，頗具特色，其原料主要為墨玉和玉髓，器類有刀、鐮、斧、鉞、鏟、璇璣、璜、牙璋、人面形雕像等。並發現了古城址。石峁遺址玉器的出土可上溯至20世紀二三十年代，當時出土的玉器已散佚海外，被歐美幾家博物館入藏。
（圖冊資料來源 ） 在2012年的壹次考古挖掘對石峁城址外城北部的25000余平方米的壹座城門遺址進行了重點發掘。外城東門址位於遺址區域內最高處，由“外甕城”、兩座包石夯土墩臺、曲尺形“內甕城”、“門塾”等部分組成。
此次考古中發掘出6件完整的玉器，種類為玉鏟、玉璜、石雕人頭像等。這是石峁遺址考古中首次發掘出的玉器。玉器就在石墻裏，這是奇特的發現。可發掘中確實如此。出土的玉器壹種是在傾斜的石墻裏面，第二種就是在倒塌的石墻堆積裏面，距離地面都比較低。
石峁遺址出土了大量玉器，尤其以現藏陜西歷史博物館的玉人頭像價值最高，是中國新石器時代遺址中發現的唯壹壹個以人為雕刻對象的玉器。陜西省考古研究院院長王煒林說：“上世紀70年代，就有考古人員在石峁征集到127件玉器。其中不少被陜博收藏著。目前流失在世界各地的石峁玉器有4000件左右。”石峁玉器世界聞名，但是壹直沒有“正名”。這是因為沒有在考古發掘上發現過石峁玉器，缺乏關鍵依據。
但在此次考古挖掘中，發掘出了6件完整玉器。這是壹個非常重要的考古收獲。證明了石峁玉器確實存在，流散各地的石峁玉器也因此“正名”。 2012年12月20日，陜西省考古研究院，地處黃土高原北部邊緣且距離黃河20多公裏的陜西神木石峁遺址，在2012年5月至11月的考古發掘中發現了集中埋置人頭骨的遺跡兩處，以年輕女性居多，與城墻修建時的奠基活動或祭祀活動有關。主持發掘的專家邵晶透露，這種頭蓋骨祭祀遺跡在中國新石器考古史上十分罕見。
在下層地面下發現集中埋置人頭骨的遺跡兩處，壹***48個頭骨。壹處位於外甕城南北向長墻的外側；壹處位於門道入口處，靠近北墩臺。這兩處人頭骨擺放方式似有壹定規律，但沒有明顯的挖坑放置跡象，擺放範圍外甕城外側呈南北向橢圓形，門道入口處的遺跡略呈南北向長方形。經初步鑒定，這些頭骨以年輕女性居多，部分頭骨有明顯的砍斫痕跡，個別枕骨和下頜部位有灼燒跡象。
主持發掘的陜西省考古研究院副研究員邵晶說，在新石器時代遺址中，部落首領人物死後使用人殉已成為通行的禮俗。但以年輕女性頭蓋骨用於奠基儀式或祭祀活動，在中國境內的考古發掘中十分罕見，在陜北地區為首次發現。這兩處集中發現的頭骨可能與城墻修建時的奠基活動或祭祀活動有關。依據實驗室分析結果，這些女性的年齡在20歲左右。 考古工作者2012年在後陽灣的壹座房址附近發現了鱷魚骨板，呈正方形，正面有許多點狀小孔。很多人據此判斷那個時代的黃土高原，氣候濕潤適宜揚子鱷成長。
這塊鱷魚骨板是包括陜晉中北部、內蒙古中南部在內的河套地區的首次發現，所以推斷這條鱷魚未必生長於此，極有可能來自遙遠的南方。根據史料記載，上古時代有壹種鼓名叫鼉鼓，用揚子鱷的皮革制作而成，是等級的象征。因為“鼉”便是揚子鱷的古稱，按照學界最流行的觀點，這些骨板很可能便和制作鼉鼓有關。專家推測，鱷魚骨板出現在神木石峁，可能是當時上層社會的奢侈品交流而來的。 2012年在對石峁遺址的發掘中，在後陽灣壹處房址之下，發現了壹件被打碎的雙鋬鬲。發現時，兩個鬲套扣在壹起，裏面有壹些肢骨、肋骨等散落於套扣的鬲中。後經考古專家對骨骼鑒定發現，這些遺骨屬於壹個不足周歲的嬰兒。這種用炊具埋葬夭折嬰兒的習俗，在當時的中國普遍存在。
經過細致發掘，在這具嬰兒的骨骸上發現了壹些紡織物殘片。這壹發現，對他們來說意義重大。北方地區因為氣候幹燥，土壤水分不夠，很少有紡織品能夠保存下來，更何況是4000多年前的紡織品，所以尤為珍貴。經初步鑒定，這些紡織物原料為苧麻類纖維，這說明北方至少4000多年前就已經懂得人工紡織，並已經開始有意種植苧麻。此外骨殖上部殘留的織物殘片，分為上下兩層，下層緊貼骨殖，經緯較為細密，上層經緯較為粗疏，說明4000多年前的石峁人已經有了內外衣之分。這壹發現對於研究中國服飾的歷史，也有著重要意義，證實了“北麻南絲”這壹構想的可操作性。 2015年9月考古人員在石城的墻體發現眾多“石雕人面像”，初步證實古城曾在原始宗教信仰中發揮過重要作用。
在開展正式考古發掘前，石峁遺址有石雕人面像的現象已引起考古專家註意。近十年前，有學者就對石峁遺址展開考察，進而公布了壹批特征明確、造型獨特的石雕或石刻人像，數量20余件，均為砂巖質地，大部分是人面像，也有半身或全身的石像，其中不乏高鼻深目者，推測可能與中國西北地區早期青銅時代的同類雕刻有關。