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1928年冬，中国地质调查所负责人丁文江、翁文灏，与北京协和医学院代表、加拿大籍古生物学家步达生等人经过反复磋商，制订出一个为期三年的合作发掘计划。由美国洛克菲勒基金会提供11万美元经费，予以双方共同发掘研究周口店出土化石。为避免在日后进程中可能出现的许多麻烦，需正式建立一个从事新生代地质学、古生物学，特别是古人类学研究的专门机构——中国地质调查所新生代研究室。这是隶属于中国地质调查所的特别部门，一切发掘研究计划将由这个机构掌管。
1929年2月8日，中美双方在共同拟定的章程上签字。协议规定：
丁文江为中国新生代研究室的名誉主持人。步达生为研究室名誉主任。一切采集的材料包括人类学标本在内，全部归中国地质调查所所有，但人类学标本将暂时委托北京协和医学院保管以便于研究。当标本保存在地质调查所时，亦应随时为协和医学院的科学家们提供研究上的方便。一切标本均不得运出中国。
中国政府农矿部很快批准了这一具有非凡科学意义的章程及一切附加协议。同时，洛克菲勒基金会第一批资助款项已通过北京协和医学院拨给新生代研究室。至此，周口店的发掘研究计划，已彻底将几年前步达生和安特生发起的那个中亚考察计划所取代。不同的是，这个计划的中心点是人类祖先的圣地——周口店。
新生代研究室的建立，开拓了整个中国新生代研究的新局面。它的直接收获是1929年底第一个完整的北京人头盖骨的发现，造成了“整个地球人类的震撼”。
近代田野考古学作为一门重要的学科，在古老的中国大地上诞生了。
1929年4月，从北京大学毕业的裴文中，在接受了严格科学的考古学训练后被认为可以担负起周口店发掘负责人的重任，裴文中走马上任，他指挥民工在此前中外科学家已发掘的地方，由第五层起继续向深处发掘。早在安特生刚刚意识到周口店具有发现古人类的可能时，他就极富经验地提醒师丹斯基：“在冲积地层中寻找人类遗迹，就像在德国公园寻找一枚失落的针，但在同时期的岩洞中寻找古人类，就像在皇家图书馆的阅览室中寻找一根针。后者无疑也不容易，但比在公园中寻找希望还是大得多。”
裴文中自然知道安特生所指，他决定在这个发掘区一直挖下去，直至挖到含有化石堆积的最底部。意想不到的是，第五层却异常坚硬，出现了“凿之为铿锵之声，势如铜铁”的局面。
在一番努力均告失败之后，裴文中毅然决定，用炸药将岩石炸开。尽管这个手段对于考古学来说是一大忌，但在当时的环境下，除了以“暴力”手段揭开岩石，似乎别无选择。
势如铜铁的第五层岩石最终未能抵挡住烈性炸药的威力而逐渐崩裂瓦解。堡垒一经攻克，后来的发掘便显得格外容易，发掘人员轻取了第六层和第七层的堆积物，随后又连克两层，即第八层与第九层，清晰的地层图已勾画出来，许多湮没难解的问题已变得明朗起来了。
发掘的遗迹显示出极厚的地层，从洞顶到空隙底部，不少于35米。而从整个洞穴堆积的内容看，从底部到顶部都属于同一地质年代的动物群。
尽管这个时期的发掘，裴文中和他的助手以及所指挥的工人们付出了极为艰苦的努力，取得了相当可观的成绩，但仍未超出安特生和师丹斯基等人发现成果的范畴。远古的祖先像是故意逗弄一群后生，而那令后世人类极度敬仰的远古祖先的身影，在世纪的光照中总是忽隐忽现、忽明忽暗，令虔诚的敬仰者越发感到扑朔迷离、神秘莫测。
桃花扑面、芬芳溢鼻的春天过去了。
雨水四溅、山洪泻流、冰雹四散的夏季过去了。
漫野红遍、层林尽染的秋季过去了。
寒冷的冬天已经来临，大雪一阵接一阵，周口店连同周围的群山一片惨白。
周口店的发掘仍在继续。随着深度不断延伸，挖出的堆积物也在增多，洞中的体积也渐渐变得狭小起来。当深度已进入地下40余米时，狭窄的空间几乎只能容下一两个人。正当裴文中考虑就此收兵时，意外地在空隙的底部凿穿了一个洞穴。这个洞穴的出现，意味着北京人的大门轰然洞开了。