鉴于二里头遗址在考古学上所具有的巨大潜力和学术价值，赵芝荃等人回到洛阳工作站之后，很快向中科院考古所写报告，请求率部移师对二里头遗址进行发掘。此后不久，河南省文管会也得知了二里头发现重大遗址的消息，并决定派队前往发掘。于是，1959年秋，得到批准的中国科学院考古所洛阳工作站以赵芝荃为首的十余人与河南省文管会派出的一个专门由女性组成的“刘胡兰小组”，几乎同时进驻二里头遗址展开发掘。
二里头遗址发掘现场
1960年，考古所的大批人员遵照当时的政策要求，下放山东省曲阜劳动锻炼，赵芝荃也在其列。二里头遗址的发掘工作暂时由北京大学考古系毕业不久、年仅24岁的殷玮璋负责。而这个时候河南省派出的“刘胡兰小组”也由于其他的原因撤出了发掘工地。整个二里头遗址在以后的若干年内，只有中科院考古所下属的二里头工作队独家进行发掘。
经过半年多的发掘，二里头遗址已出现了考古学界所期望的曙光。中科院考古所牛兆勋副所长指示殷玮璋，把整个遗址划分成几个区，在一万平方米的范围内大面积发掘，争取以最快的速度获得成果。有些遗憾的是，牛副所长这个颇具气度的计划无法实现，因为要在如此大规模的范围内操作，需雇用大量技术工人，而此时当地公社和大队正组织农民大规模地兴修水利和搞农田基本建设，根本无力也不可能给予支援。技术工人雇不到，仅凭考古队十几个人，是无力对一万平方米的范围进行四面开花式发掘的。无奈中的殷玮璋只好和同事商量决定，先在这一万平方米的范围内进行钻探，待情况基本弄清之后，再有针对性地做一些发掘。于是，考古队的十几个人每人一杆探铲，在所划分的“井”字形区域内，一平方米一个探眼地进行钻探。经过几个月的努力，所划区域四周的制骨、制陶、制铜等作坊遗址被先后探明。既然四周都是作坊，根据以往的考古发掘经验，中间可能有宫殿之类的遗迹深藏于地下。为验证这个推断，考古人员将主要精力投入到被称作第五区的中间部位进行钻探。这个“井”字形区域的中间部位，的确有别于东西南北四个区的情形，很少发现四个区域内常见的陶片，相反倒是不断有类似宫殿建筑的残迹出土。为了验证真伪，殷玮璋和其他考古人员决定在第五区开始发掘。果然不出所料，发掘不几天，考古人员就发现了一组夯土基址，夯土眼很明显，其中北面的一处基址长、宽各约一百米，是这组建筑的主要部分。通过仔细辨别，可以肯定发现的就是一处宫殿基址。考古人员结合此前在四周发现的相当数量的房基、窖穴、灰坑、水井、窑址以及铸铜陶范、石料、骨料等等遗迹、遗物推断，二里头遗址确实具有古代早期都邑的规模，而绝不是一般的自然村落。