民国十八年（1929年），当地农民燕道诚淘沟时偶然发现的一坑玉石器，这被认为是三星堆遗址的最早发现。

民国二十年（1931年）春，华西大学葛维汉（David Crockett Graham，亦有记作D.C.Graham ）、林铭均教授等确定月亮湾出土的玉器为先秦之物，并将大部分玉器收归华西大学博物馆。

民国二十年（1931年）6月，在广汉传教的英籍牧师董宜笃与华西大学美籍教授戴谦和到月亮湾遗址进行了考察和摄影。

民国二十三年（1934年）3月，时任华西大学博物馆美籍教授葛维汉、馆员林名均等 ，在时任广汉县县长罗雨苍主持下 ，对三星堆遗址进行试掘 ，出土器物由华西大学博物馆保存。这是历史上第一次三星堆科学考古。

1951年，由四川省博物馆杨有润、张盛装组成的调查小组恢复了对月亮湾一带的考古调查。这是中华人民共和国建立以来，由四川省组织的专家首次对该遗址进行调查。

1953年，为修建天成铁路保护文物古迹，西南博物院院长冯汉骥教授率人专程前往广汉月亮湾遗址调查。

1956年，四川省博物馆王家祐、江甸潮对三星堆遗址进行了较大范围的调查，除调查月亮湾及鸭子河一带外，还调查了与三星堆遗址有关的新繁水观音遗址。 ^[36]调查期间，王家祐等人动员燕氏家人将保存的玉石器捐献给了国家。

1958年，四川省博物馆和四川大学历史系考古教研室联合对月亮湾遗址进行考古调查和试掘。

1963年，在冯汉骥先生主持下，由四川省文管会和四川大学历史系考古教研室联合对月亮湾遗址进行发掘，发现了大量古蜀文化遗存。

1976年，三星堆遗址点附近广汉高骈乡机制砖瓦厂发现一座坑类遗迹，出土镶嵌绿松石铜牌饰1件、玉戚1件、玉刀1件、玉矛1件，分别为商代晚期后段及可能是三星堆遗址三期的作品。

1980年，当地砖厂工人在三星堆坡地取土时挖出大量陶片和石器，四川省文管会立即派人考察，并派出考古工作队进驻三星堆，开始对这一古蜀遗址进行正式发掘。

1980年5月，四川省博物馆王有鹏与广汉文化馆敖天照主持了三星村三星堆遗址的调查和试掘，发掘面积125平方米，出土了许多陶石器标本。为此四川省文物管理委员会、四川省博物馆认为有必要对此进行正式发掘。

1980年11月26日，四川省文物管理委员会、四川省博物馆、广汉县文化馆组成联合发掘组对三星堆遗址第Ⅰ发掘区进行正式发掘。发掘工作至1981年5月25日结束。发掘1100平方米，发现房址18座，灰坑3个，墓葬4座，以及大量陶器、玉器、石器等。通过这次发掘，大体认识和了解三星堆遗址出土物的特征和古蜀人居住房子的结构及葬式。为此将该遗址正式定名为“三星堆文化”。

1981年4月23日至25日，中国人民解放军成都空军司令部两次出动直升机对发掘出的房屋遗址、墓葬、灰坑等进行总体的空中拍摄，这是中国考古发掘史上利用航空器材对考古遗址进行拍摄的首例。

1982年，国家文物局将三星堆遗址列为重点考古发掘项目。 ^[32]同年4月，由陈显丹、敖兴全在三星堆堆子的南部主持了一次小规模发掘。这次发掘发现了不少的动物牙齿和禽类骨骸。 ^[36]同年7月，在陈显丹、陈德安的主持下对南兴乡的真武村、王家院子、三星乡的仁胜村等处进行考古调查，发现三星堆文化的遗存分布已延伸到南兴乡以外的三星乡，其分布远远超出过去所掌握的范围。

1984年，考古工作队在三星堆北面真武宫西泉坎发掘出土了大量陶器和石器，发现了石器生产加工作坊遗址，并发现了城墙，对三星堆遗址的分布范围与面积有了更加清楚的认识。

1985年，对三星堆北侧又进行了发掘，出土了数量可观的陶器与石器。

1986年3月，四川省文物考古所，四川大学历史系和广汉县政府，联合开展了大规模的三星堆遗址考古发掘工作。在三个月内，发掘53个探方，总面积1325平方米，清理出房屋遗迹二十多处，出土大量陶器、玉石器。 ^[6]通过地层叠压关系可以清晰地看到，古蜀文化从新石器时代晚期至西周，两千年的延续从未间断过，为分期提供了科学的重要佐证。

^{三星堆青铜纵目面具发掘现场}

1986年7月18日，当地砖厂在第二发掘区取土时发现祭祀坑，挖出玉石器，并上报考古队。四川省文物管理委员会、四川省文物考古研究所与广汉县联合发掘祭祀坑，编号为一号坑。出土铜、金、玉、琥珀、石、陶等器物共420件，象牙13根。 发掘工作至同年8月14日结束。

1986年8月14日，在结束一号祭祀坑发掘的当日，砖厂工人又在一号祭祀坑的东南约30米处取土中，挖开二号祭祀坑南角，暴露出铜头像一件。陈德安、陈显丹二人闻讯后即保护现场，一方面组织抢救发掘准备工作，一方面向主管部门汇报。同年8月20日开始二号祭祀坑的发掘工作，9月17日结束野外发掘。

1987年，三星堆遗址月亮湾燕家院子以东约400米处的仓包包发现一座坑类遗存，出土铜牌饰3件、玉环8件、玉箍形器1件、玉凿1件、石璧11件、石纺轮形器10件、石斧3件、石琮1件。分属具有二里头文化因素的遗存（3件铜牌饰）、具有齐家文化特征的遗存（石璧与石纺轮形器）、具有商代晚期特征的遗存（玉环）等。

1988年10月至1989年1月，四川省文物考古研究所对分布在广汉三星堆遗址南部的“土堆”“土埂”进行了全面的调查和试掘工作，证实和确认三星堆的“土堆”和“土埂”均系人工夯筑堆积的土墙。

1989年至1995年，三星堆工作站先后6次对三星堆外“土埂”进行试掘，弄清其为人工修筑的城墙性质，划定了面积达3.6平方公里的三星堆古城范围。

1989年至2017年发现三星堆遗址大城城墙，以及三星堆城址内东北部的仓包包小城。大城城墙修建于三星堆遗址二期，局部地段沿用至三星堆遗址四期。仓包包小城修筑于三星堆遗址三期。

1990年1月，通过对东城墙局部发掘，对三星堆古城的始筑年代和夯筑方法等有了进一步了解。

1990年5月12日，由四川省政府牵头，以四川省文化厅出资40万元及四川省防洪部门、四川省国土局、四川省建委及广汉市人民政府共同投资修建的三星堆遗址防洪大堤竣工。这项工程既保护了遗址，也保护了土地的流失，又成为广汉市通向三星堆博物馆的主要干线。

1991年12月至1992年5月，四川省考古所对三星堆遗址西城墙进行了解剖发掘，发现大量的柱洞和其他建筑遗址。

1994年11月至1995年1月，四川省考古研究所在三星堆遗址南边的麦家院子龙背、胡家院子的竹林、三星村公所侧、东岳庙四个点，自西向东进行了试掘，发现这里的土埂亦是人工夯筑的城墙，最宽处达28米，主体宽约20米，初步确定，这条土埂是三星堆古城的最南端的城墙。现残存长度为1050米。

1996年10月，中日联合对三星堆遗址进行环境考古调查工作。

1997年11月至1998年7月，四川省文物考古研究所、三星堆博物馆对三星堆遗址仁胜砖厂墓地进行发掘。此次发掘面积934平方米，共发现墓葬28座，发现了大量玉石器，其中具有良渚文化“玉锥形器”的发现，引起研究者对三星堆玉石器的文化渊源关系进行重新思考。

1999年1月至5月，四川省文物考古研究所对三星堆遗址月亮湾处的城墙进行发掘，发现大盘龙山时期的房址压在下面，同时发现良渚文化类型的玉琮及早期墓葬，这些发现为研究长江文明的起源和三星堆文化与良渚文化的关系提供了重要的实物依据。

2005年3月至4月，在青关山发现大型夯土建筑台基。发掘面积750平方米（含西城墙水门）。

在青关山发现大型夯土建筑台基

2012年至2015年，三星堆考古发现青关山大型房屋基址以及多段城墙重要文化遗存，三星堆古城城墙合围。

2017年11月至2018年5月，对三星堆遗址月亮湾城墙拐角处和西城墙北段内侧地点进行了发掘，确认了月亮湾小城南城墙东端和三星堆小城东城墙的存在，在西城墙北段内侧古河道边首次发现了三星堆二期“河边祭祀区”或“河边祭祀垃圾倾倒区”。

2019年10月，四川省文物考古研究院、德阳市文物考古研究所和广汉市文物管理所开始对联合遗址进行抢救性考古发掘，计划发掘面积7000平方米。

2019年11月至2020年5月，新发现6座三星堆遗址祭祀坑。

2022年至2024年，考古工作者在三星堆遗址新发现与玉石器生产加工相关的遗存，经专家初步判断为玉石器“生产车间”，年代为商代中期，距今约3500年至3400年，比三星堆祭祀坑的埋藏年代更早。

截至2024年6月16日，3号到8号祭祀坑已出土有编号文物近13000件，三星堆遗址的考古发掘面积不到20000平方米，占整个遗址总面积的千分之一左右。