英國地質學家巴爾博所繪的周口店洞穴遺址素描圖。左為鴿子堂洞穴，右為第一號洞穴（引自《黃土地的兒女》）
新一季周口店遺址的發掘又如火如荼地展開。
1931年春，裴文中和新到周口店協助工作的賈蘭坡帶領民工在清理洞中鬆軟堆積時，意外發現了一層含有豐富石英碎片的地層堆積物。這個發現，立即引起了裴、賈二人注意，遂開始組織大規模的發掘。兩個月之後，在周口店一個叫鴿子堂的地方，又發現一處規模較大的石英層，於是集中精力對鴿子堂進行發掘。
步日耶（右）、翁文灝（中）與裴文中在周口店辦事處前留影
經過近一年的努力，從發現的兩個地區中，收集到不少於兩千塊石英碎片和十塊不屬於洞中的石頭，五塊綠色砂石、三塊褐鐵礦結石。另外發現了兩塊並列著的燧石和各種顏色的石英片。所有這些發現，幾乎和人類的骨骸，猛獁、三趾馬、鹿等動物化石在同一地層中找到，而那些石英碎片，其中大多數沒有爭議地顯示出加工和使用過的痕跡。由此，裴文中大膽做出了“石英碎片正是遠古人類加工和使用的石器”的結論。
周口店山頂洞位置與文化層圖示［引自《舊石器時代之藝術》，裴文中著，商務印書館1999年版，下同。裴注：①第1地點小山之圖解剖麵由北麵看，以示山頂洞（直線）的位置；En.山頂洞洞口。②山頂洞之東西綜合剖麵圖。③山頂洞之南北綜合剖麵圖。En.洞口；L1—L5.文化層；R.上室；a.骨針；r.下室；b、c.人頭骨；Lr.下窖；d.穿孔的海生介殼。］
考古人員於龍骨山采集的礫石石器（引自《舊石器時代之藝術》）
龍骨山采集的石器類別。A.石英刮削器；B.石英石核或砍砸器
1931年秋，法國著名史前石器考古學家步日耶教授，在詳細考察研究了周口店遺跡化石後，這位傑出的學者完全接受了裴文中所做結論的同時，進一步提出“一些獸角和骨頭也有明顯人工加工過的痕跡，而這些發現同石器一樣，都可能成為人類祖先的工具”。