1979年7月縣考古工作者曹傳松和王本浩到車溪南岳進(jìn)行文物普查時(shí)發(fā)現(xiàn)，初步判斷系古遺址或古墓。回縣后，曹傳松向湖南省博物館考古部匯報(bào)城頭山的新發(fā)現(xiàn)。此事引起省考古專家的關(guān)注。1981年6月，楚文化研究學(xué)會(huì)在長(zhǎng)沙成立。會(huì)議期間，該會(huì)會(huì)長(zhǎng)、北京大學(xué)考古系教授俞偉超，湖南省博物館館長(zhǎng)高至喜等來城頭山實(shí)地進(jìn)行考察，并采集部分陶片標(biāo)本。1991年10月起，在湖南省考古研究所所長(zhǎng)何介鈞帶領(lǐng)下對(duì)城頭山進(jìn)行挖掘，歷時(shí)11年。
    1991年10月，由湖南省文物考古研究所對(duì)城址進(jìn)行第一次實(shí)測(cè)，并對(duì)城墻西南轉(zhuǎn)角進(jìn)行解剖。實(shí)測(cè)結(jié)果：城外圓直徑325—340米，內(nèi)圓直徑315—325米。城內(nèi)中心點(diǎn)現(xiàn)存地面高程46.8米,較城外平原變3.6米，城內(nèi)面積約80000平方米。城門未筑在正方位的軸線上，南門為偏西13o，北門為偏東13o，東門為偏南4o，東、南門豁口均寬30米，兩旁有高出豁口2—3米，比城垣主體低1—2米的平臺(tái)，長(zhǎng)、寬均在15米左右。北門現(xiàn)存寬度32米，門內(nèi)東西37米，南北32米略呈團(tuán)圓形大堰，堰水通過北門水道與護(hù)城河相通。護(hù)城河寬窄規(guī)整，寬35米。大多段落距城墻外坡僅2—3米，南、東門外城墻與護(hù)城河之間呈尖角狀突出，最大距離達(dá)40—50米。城內(nèi)文化遺存，文化層最厚處在城東，深達(dá)5米。在城墻西南轉(zhuǎn)角開1條26米，寬1.5米的探溝。此次探掘以墻體內(nèi)坡上疊壓的最早一期（即9層）遺存作為建城時(shí)間的下限。該層出土有鷹咀裝飾的盂形器、沿向內(nèi)凹的高領(lǐng)罐、上腹較短的雙腹豆和直壁高圈足杯等，均為屈家?guī)X文化中期的典型器物，并將筑城時(shí)間定為屈家?guī)X文化中期，距今4800年，成為當(dāng)時(shí)已發(fā)掘的中國(guó)最早的一座城。
    1992年，進(jìn)行第二次發(fā)掘。清理東門口豁口外河卵石地面，向東略作傾斜，西至豁口處結(jié)束，長(zhǎng)8米，寬12米，鋪滿卵石。卵石面疑作散水排水用，其上即為耕地層，從地層關(guān)系確定屬屈家?guī)X文化早期形成；在城東部緊靠城墻內(nèi)坡開方400m2，城內(nèi)堆積從上至下依次為石家河文化（早、中期）、屈家?guī)X文化（早、中、晚期）、大溪文化（1—4期），探方下層為早于大溪文化的湯家崗文化地層，在地層發(fā)現(xiàn)縱橫不深的溝。整個(gè)文化堆積超過4米，探方區(qū)最東部分發(fā)現(xiàn)原始地貌為由東南向西北走向的凹槽。在發(fā)掘區(qū)西南探方內(nèi)，發(fā)現(xiàn)數(shù)十座大溪文化早期的棺葬，除2座有1—2件大溪文化早期陶碗，釜隨葬外。另有多座臺(tái)基編竹夾泥方式建造的大溪文化時(shí)期房基，幾座房屋圍繞一個(gè)大灰坑，灰坑徑達(dá)5—6米，深3—4米，有臺(tái)階上至各座房屋地面。1992年，城頭山被評(píng)為1992年度中國(guó)十大考古新發(fā)現(xiàn)之一。
    1993年，進(jìn)行第三次發(fā)掘。發(fā)掘時(shí)，以城中心點(diǎn)出發(fā)向東、南、西、北四方沿中軸線隔若干米開—2×5米的探溝。東、南兩面探溝穿過東南城墻。在西南、東，南穿過城墻的探溝內(nèi)均發(fā)現(xiàn)在屈家?guī)X文化時(shí)期城墻外坡下壓著大溪文化早期的壕溝。西南轉(zhuǎn)角探溝往西延伸貫通，揭出城墻壁基腳寬達(dá)34米。東、南城墻探溝貫通，基腳寬近40米，大溪壕溝寬10米，深4米，底部平整。南城墻壕溝外坡用豎立木樁、蘆席、橫木條和子篾扎緊成籬笆狀護(hù)坡設(shè)施。南城墻下發(fā)掘長(zhǎng)2米，寬10米面積壕溝的淤泥內(nèi)出土近百種植物籽實(shí)，包括稻、冬瓜、葫蘆瓜等栽培作物，因淤泥隔絕空氣，保存完整，葫蘆瓜呈金黃色。還有多種動(dòng)物骨骸、人骨頭、蘆席、麻布、有卯榫結(jié)構(gòu)的木構(gòu)件、有穿洞安足的凳面。
城內(nèi)偏西北部位發(fā)現(xiàn)屈家?guī)X文化時(shí)期的墓葬；城東部、中部偏東、中部偏西，發(fā)現(xiàn)密集的房屋建筑遺跡、紅燒土居住面；城中和城正北，發(fā)現(xiàn)2處陶窯。東城墻城墻解剖剖面似有比屈家?guī)X文化更早的筑城跡象，城墻西南轉(zhuǎn)角探溝，發(fā)現(xiàn)墻基中段下壓著一層文化層，內(nèi)出細(xì)弦紋黑皮陶高領(lǐng)罐、黑陶簋形器，器物時(shí)代晚于大溪文化四期。將這時(shí)期的上限推前到屈家?guī)X文化早期即距今5200—5300年，系屈家?guī)X文化早期城。
    1994年，進(jìn)行第四次發(fā)掘。發(fā)掘面積2000多平方米，發(fā)掘分四個(gè)區(qū)。
   Ⅰ區(qū)為拓寬對(duì)南城墻的解剖，發(fā)現(xiàn)大溪壕溝被一工人夯筑土臺(tái)截?cái)啵灰墒谴笙�文化時(shí)期所筑城的城門一邊的建筑臺(tái)基。
    Ⅱ區(qū)為居住區(qū)，在城西偏南。發(fā)掘區(qū)400平方米，在距地表1.2米處發(fā)現(xiàn)2座房屋，均屬屈家?guī)X文化早期。
    Ⅲ區(qū)為中部的制陶作坊區(qū)，在400多平方米的發(fā)掘區(qū)內(nèi)清理7—8座大溪文化陶窯，其中有專門燒紅磚土塊作建筑材料之用的。這些窯，除1座為屈家?guī)X文化時(shí)期外，余均為大溪文化早、中期。屈家?guī)X文化時(shí)期部分陶窯被整平，改作房基。在發(fā)掘區(qū)北部隔墻下，清晰露出制陶作坊區(qū)，在史前考古中實(shí)屬罕見。
    Ⅳ區(qū)為屈家?guī)X文化時(shí)期的墓葬區(qū)。墓區(qū)發(fā)掘從1993年冬開始，1994年冬和1995年春繼續(xù)擴(kuò)大發(fā)掘（第五次發(fā)掘），發(fā)掘面積400平方米，墓區(qū)主要部分均在發(fā)掘區(qū)內(nèi)。較上層為屈家?guī)X文化晚期的甕棺葬，夾有少量土坑墓。此次發(fā)掘，共清理墓葬近600座，出土石器和可修復(fù)陶器3000—4000件。隨葬器物最豐富的M425，隨葬陶器達(dá)100余件。
    1996年12月至1997年1月，進(jìn)行第六次發(fā)掘，發(fā)掘時(shí)，將城墻西南轉(zhuǎn)角探溝展寬。經(jīng)過1個(gè)月工作，取得重大突破性成果，發(fā)現(xiàn)城頭山城墻先后4次筑造的地層疊壓關(guān)系。
    第一次筑造于大溪文化早期。夯土分兩大層。由大溪文化壕溝開口往東將生土削成斜坡，然后夯筑。現(xiàn)殘高2米，墻基寬10米，頂面近平。其內(nèi)坡被1個(gè)灰坑打破。灰坑中出土粗泥釜、紅衣粗弦紋厚陶片，時(shí)代屬大溪文化二期，均趨近6000年，共同組成防御體系，為中國(guó)目前發(fā)現(xiàn)最早的城墻。墻殘高度僅有2米，加上其原生土削成的斜坡和緊接的壕溝4米深度。這樣，把城頭山建城的時(shí)間由1993年認(rèn)定的5300年又朝前推進(jìn)700年。
    第二次筑城，城的頂面與第一次筑城頂面在一條平行線上，其外坡將大溪文化早期壕溝填塞一部分，墻基下直接壓著大溪文化三期的陶片，如圓唇高領(lǐng)紅陶罐等。其上為第三次筑城，這一期工程浩大，其頂面仍偏外，與1、2次頂面仍在一平行線上，墻基向內(nèi)外兩方加寬，所用土，仍取自城外較深地層的原生土大塊，取土后，城外形成護(hù)城河，而所取土又堆疊成城墻。
第四次筑城工程浩大，主要向城內(nèi)方向加寬，夯土層為一層大塊土夾一層河卵石，與第3次所筑城界分明。城墻頂部已加寬至13米，而墻基寬至37米以上。此次筑城土方粗略估計(jì)10萬方。這時(shí)城墻內(nèi)坡和頂面上疊壓有使用時(shí)形成的文化層，頂面上僅有石家河中期文化層，表明