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从1935年起，周口店遗址的发掘工作就交由科学家贾兰坡主持。1936年秋，贾兰坡在周口店地区发掘修复了3个较为完整的头骨，经检验其中有两个是成年男性，一个是成年女性，同时还有一些成年男女的残破肢骨。同样，这些研究发现再一次震惊了国际学术界。
从1927年到1937年这10年间，经过考古工作者和工人们的辛勤劳动，在龙骨山遗址中，共发现完整的头盖骨5个，头部残片21块，比较完整的和残破的下颌骨12个，牙齿100多颗，残破的上下颌骨12块，取得了震惊世界的成就。
到了1937年，由于抗日战争的全面爆发，龙骨山的挖掘工作被迫中断。包括北京人第一个完整的头盖骨在内的所有珍宝，都保存在美国人办的协和医院里。1941年珍珠港事件爆发前夕，日美关系已经相当紧张，协和医院也已经感觉到缺乏安全感，主持这项研究的瑞典人类学家魏敦瑞建议把这批举世瞩目的化石运到美国保存。可是由于各种各样的原因，化石并没有就此启运。在珍珠港事件爆发前两三个星期的一天，协和医院总务长博文突然通知将化石秘密装箱，这样，15块北京猿人的头骨碎片及5个头盖骨，14块下颌骨，再加上147块锁骨、大腿骨、牙齿等化石被擦镜细绵纸仔细包好，裹上药棉，包上纸、细布棉花等，小心地装进两只大木箱，运往美国大使馆。但是天意难测，从此以后，这批极其珍贵的化石就仿佛从世界上消失了。
第二次世界大战后，美军为了寻找中国猿人化石，在日本进行了广泛的搜寻，可遗憾的是一无所获。1972年，美国巨商詹纽斯悬赏重金寻找中国猿人化石，虽然有不少人前来报告线索，可结果同样令人遗憾。纽约一位老太太称她丈夫从中国带来的一箱化石中有中国猿人化石，开价50万美元，可是从她提供的照片来看，那不是失踪的中国猿人化石。人们费尽心机，可结果总是令人失望。中国猿人化石到底落到什么地方了呢？它又是如何失踪的呢？由于当时的战争环境和启运时的绝对保密，现在已经无法确切地考查了。有人说，它在秦皇岛被运上哈里森总统号邮船，在赴美途中与邮船一起沉没海底；也有人说，邮船被日军俘虏，化石被日军截留，后来几经易手，最终下落不明。如果是前者，那么中国猿人化石可能深埋海底难以重见天日了；而如果是后者，它很可能是秘密藏在了日本民间。
不过，让我们感到欣慰的是，中国人类学家周国兴经过多年的调查发现了一条新线索。珍珠港事件爆发前夕，一个卫兵守卫在美国海军陆战队总部和美国使馆相通的便门口，看到两个人抬了一箱东西，埋在大使馆后院里。根据士兵的说法，周国兴推测，这一箱东西很可能就是中国猿人化石。虽然周国兴已经找到了埋藏的地方，可是由于上面已经建起了高楼大厦，未能挖掘。如果埋藏的这一箱东西正是化石，那么失踪多年的中国猿人化石将会安然无恙地重新出现在世界上。人们经历了太多的失望，我们盼望着这一揭示人类童年生活状况的无价之宝能够早日失而复得。
新中国成立后，中国的考古学家在政府的支持下又开始了对周口店遗址的全面挖掘，并在1966年取得了重大发现。在周口店再次出土的一件“北京人”的头盖骨，其形态特征，经过研究证明，比以往所发现的猿人化石具有更进一步的性质。
1973年，在龙骨山东南角，科学考古工作者们还发现了介于“北京人”和山顶洞人之间、距今约10万年前的古人类牙齿化石，人们将之定名为“新洞人”。这是一种新的人类，属于古人，即早期智人阶段。在这里生活过的新洞人比北京人的生活时期要晚，但比山顶洞人要早得多。此次考古发现，正好填补了两者之间的空白期。经过比较发现，新洞人的牙齿化石比猿人的短，可能是由于多食熟食的缘故；可是却比山顶洞人的要大，而且牙根也长，说明从北京猿人到新洞人再到山顶洞人，取火用火技巧越来越熟练，因而熟食能更广泛地被后来的山顶洞人食用。从此，周口店“北京人”遗址有了代表人类发展三个阶段的人类化石及其文化和居住地，这在世界上也是独一无二的。
从20世纪20年代以来，考古工作者们在北京周口店各洞穴的发掘工作取得了很大的成果。挖到的堆积物大约有3万立方米，约为全部堆积物的一半，其中有头盖骨6个，下颌骨15个，牙齿153颗，以及一些肢骨、面骨等，代表了340多个男女老少的“北京人”化石，还有石器10万多件，动物化石118种，以及大量的用于熟食、取暖的灰烬。
周口店“北京人”原始遗址的发现和连续发掘，在人类史和生物史上有着极其重要的意义。它通过化石实物表明，人类的历史要比原先设想的要早，而且也有力地证实了达尔文的由古猿进化到人的物种起源学说。“北京人”的发现，被公认为是20世纪人类考古学史上的最显著的成就。
1924年，人们又从周口店发掘出了两个中国猿人的下颌骨和3颗保存得很完整的牙齿，这更加证实了安特生和步达生的预言。于是，在政府的支持下，1927年开始了对龙骨山大规模的发掘工作。
1928年，天降英才，刚从北京大学地质系毕业两年的裴文中来到了周口店龙骨山发掘现场主持发掘工作，整个发掘工作是分春秋两季进行的。在春季的发掘中，发现了一个残破的猿人类头盖骨，这是一个前所未有的发现。这个发现坚定了裴文中的信心。功夫不负有心人，12月4日下午4点钟左右，技工刘义山发现了一个圆圆的发黑的东西，觉得既不像鹿也不像虎的头盖骨。他不敢肯定自己的发现，于是立即叫来了裴文中。裴文中听到这个消息后，马上进洞，仔细辨认了一会后，突然兴奋地叫出了声：“是人的头盖骨！”
发掘出了头盖骨以后，为了尽快完整地将它送到北平（今北京）去研究，裴文中立即对它进行了处理。为防止头盖骨因为没有全干而在路途中受到损坏，裴文中先用炭灰耐心地烤了两夜，又在头盖骨的表面糊了多层绵纸，然后再在外面糊上石膏。待一切保护工作做完后，他才将头盖骨运到北平，交给研究北京人化石的步达生教授进行研究和鉴定。
步达生经过认真地研究后，认为这是一块距今约60万年的北京猿人的完整头盖骨化石。这消息一经公开，立即像一颗重磅炸弹一般，轰动了国际学术界和文化界。这是因为，它确定了在人类历史的长河中有过“直立人”的阶段，把人类的历史由当时公认的十几万年向前推到了五六十万年前；并且有实物证明，在五六十万年以前，人类的祖先就学会了制造石器和猎取大型动物，同时人类用火的历史也由此向前推进了四五十万年。
此后，他们又在周口店进行了连续长达数年的发掘工作，陆续在龙骨山上发掘出一些猿人使用过的石器和用火遗迹。通过对这些考古资料的认真研究，考古学家们推定，直立的“北京人”距今约69万年。他们过着以狩猎为主的洞穴群居生活，已经开始学会制造和使用粗糙的石质工具，而且学会了用火，已经知道和使用火来取暖和吃烧熟的食物。那些保存在洞内的几个灰烬层便是明证，其中最厚的一层灰烬超过了6米。过去，在欧洲等地也发现过好多人类用火的证据，但它们的年代一般都在距今10万年左右的尼安德特人时期，而“北京人”用火遗址的发现，则明显要早。这样，人类用火的历史便大大地提前了。这时的“北京人”尚处于旧石器时代的早期。
一个很有意思的事情是，在考古学家发现北京人以前，世界上虽然有德国的尼安德特人、海德堡人，而且人们也在印度尼西亚的爪哇岛发现了直立人等人骨化石，可是这些成果并未得到学术界的公认。对于人类的起源问题，人骨化石在人类社会进化过程中的地位问题，就算是持进化论学术观点的人，也是各言其说，莫衷一是。自从北京人头盖骨以及石器、用火遗迹被发现以后，人们才肯定了直立人的确切存在，人类进化的序列也基本明确，为“从猿到人”的伟大学说提供了有力证据。
发掘工作继续进行，在裴文中的主持下，又于1933年在龙骨山的山顶洞穴内发现了距今约1．8万年前的人类化石。它们大约代表着10个人的遗骸，其中有3个完整的成年男女头盖骨。人们根据其居住特点，形象地称之为“山顶洞人”。经考察，他们具有原始蒙古人的特征，属于晚期智人。考古认为，这3个人是有意被埋葬的，因为遗体显示，入葬前在死者身上还撒下了红色的赤铁矿粉末。出土物中，还有骨针和各种装饰品，这些物品被认为是中国迄今发现的最早的陪葬品。研究证明，山顶洞人不仅熟练地掌握了狩猎、捕鱼技术，还学会了用骨针缝制兽皮衣服，学会了打孔技术，用贝壳、兽牙等做成项链来美化自己，还掌握了相当进步的制造装饰品的工艺技术，并产生了原始宗教的萌芽。这些研究都表明山顶洞人已经进入了旧石器时代的晚期。