鑒於二裏頭遺址在考古學上所具有的巨大潛力和學術價值，趙芝荃等人回到洛陽工作站之後，很快向中科院考古所寫報告，請求率部移師對二裏頭遺址進行發掘。此後不久，河南省文管會也得知了二裏頭發現重大遺址的消息，並決定派隊前往發掘。於是，1959年秋，得到批準的中國科學院考古所洛陽工作站派出的以趙芝荃為首的十餘人與河南省文管會派出的一個專門由女性組成的“劉胡蘭小組”，幾乎同時進駐二裏頭遺址展開發掘。
二裏頭遺址發掘現場
1960年，考古所的大批人員遵照當時的政策要求，下放山東省曲阜勞動鍛煉，趙芝荃也在其列。二裏頭遺址的發掘工作暫時由北京大學考古係畢業不久、年僅24歲的殷瑋璋負責。而這個時候河南省派出的“劉胡蘭小組”也由於其他的原因撤出了發掘工地。整個二裏頭遺址在以後的若幹年內，隻有中科院考古所下屬的二裏頭工作隊獨家進行發掘。
經過半年多的發掘，二裏頭遺址已出現了考古學界所期望的曙光。中科院考古所牛兆勳副所長指示殷瑋璋，把整個遺址劃分成幾個區，在1萬平方米的範圍內大麵積發掘，爭取以最快的速度獲得成果。有些遺憾的是，牛副所長這個頗具氣度的計劃無法實現，因為要在如此大規模的範圍內操作，需雇用大量技術工人，而此時當地公社和大隊正組織農民大規模地興修水利和搞農田基本建設，根本無力也不可能給予支援。技術工人雇不到，僅憑考古隊十幾個人，是無力對1萬平方米的範圍進行四麵開花式發掘的。無奈中的殷瑋璋隻好和同事商量決定，先在這1萬平方米的範圍內進行鑽探，待情況基本弄清之後，再有針對性地做一些發掘。於是，考古隊的十幾個人每人一杆探鏟，在所劃分的“井”字形區域內，一平方米一個探眼地進行鑽探。經過幾個月的努力，所劃區域四周的製骨、製陶、製銅等作坊遺址被先後探明。既然四周都是作坊，根據以往的考古發掘經驗，中間可能有宮殿之類的遺跡深藏於地下。為驗證這個推斷，考古人員將主要精力投入被稱作第五區的中間部位進行鑽探。這個“井”字形區域的中間部位，的確有別於東西南北四個區，其中很少發現四個區域內常見的陶片，相反倒是不斷有類似宮殿建築的殘跡出土。為了驗證真偽，殷瑋璋和其他考古人員決定在第五區開始發掘。果然不出所料，發掘不幾天，考古人員就發現了一組夯土基址，夯土眼很明顯，其中北麵的一處基址長、寬各約100米，是這組建築的主要部分。通過仔細辨別，可以肯定發現的就是一處宮殿基址。考古人員結合此前在四周發現的相當數量的房基、窖穴、灰坑、水井、窯址以及鑄銅陶範、石料、骨料等遺跡、遺物推斷，二裏頭遺址確實具有古代早期都邑的規模，而絕不是一般的自然村落。