水洞沟遗址是中国最早发掘的旧石器时代遗址之一。1920年比利时神父绍特在水洞沟东部的黄土状岩石断崖中，发现了一具披毛犀的头骨和一件很好的石英岩石器。1923年法国古生物学家德日进和桑志华在水洞沟发现了五个旧石器地点，通过发掘，获得了大量的打制石器和少量破碎的动物化石。当时有的学者把水洞沟同内蒙古乌审旗萨拉乌苏的文化遗物合称为“河套文化”，认为是旧石器时代中期的遗存。

　　1960年代以来，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、内蒙古自治区和宁夏回族自治区博物馆等单位，对水洞沟进行了多次调查和发掘。除动物化石和石制品以外，还发现了骨器和饰物。重新研究的结果表明这两个地点的文化遗物是不相同的，水洞沟遗址应当属于旧石器时代晚期，经过热释光方法测定，其年代为距今约4万年。

　　在水洞沟遗址共发现有石制品10000余件，原料以硅质灰岩为主，其次是石英岩，再次为砂岩、燧石等。石器的绝大部分用石片或长石片加工而成，以背向加工的为主，也有向破裂面加工和错向、对向或交互加工的。石器的类型以刮削器居多，尖状器，砍斫器很少。

　　在遗址发现的骨器有用动物的骨片磨制成的骨锥。装饰品以鸵鸟蛋壳穿孔而成，边缘略加打磨。此外，在遗址里还发现了用火的痕迹。（国家文物局）

　　水洞沟遗址为全国重点文物保护单位。