步达生在迅速转移工作重点以后，以极大的热情投入到周口店的发掘工作中来。他四处奔波，先是向当时北京协和医学院行政委员会负责人胡恒德汇报，请求由洛克菲勒基金会出资赞助周口店的发掘，建立研究体质人类学的研究机构，然后又同当时中国地质调查所所长翁文灏协商，讨论进行发掘的具体步骤。翁文灏（1889～1971年)是我国现代地质学的奠基人之一，曾去比利时留学，他对周口店的发掘工作给予了大力支持，也正是在步达生和他的努力下，洛克菲勒基金会最终同意为周口店发掘提供经费。二人欣喜之余，开始了发掘前的各项筹备工作。包括签署双方认可的发掘协议、派汽车去周口店探路，以便为日后发掘提供各类物资。这一切进行得都相当顺利，协议也很快签署，协议中规定由中国地质调查所与北京协和医学院合作研究华北第三纪和第四纪堆积物，经费由洛克菲勒基金会提供。发掘由安特生负责，步达生主持工作，一切采集到的古生物标本可以保存在协和医学院中进行研究，但归中国地质调查所所有，一切化石标本不得运出中国。作为中方的代表，翁文灏在一些原则问题上立场坚定，维护了国家的主权，这在当时的历史条件下，诚属难能可贵！今天人们从当时遗留下来的信件看，最初双方存在着较大分歧，尤其在权属方面争议更甚，但最后形成的协议中，对化石的归属作了明确的规定，这正是翁文源不懈努力的结果。协议达成以后，双方协商成立了周口店工作队，队员有李捷、步林、刘德霖、谢仁甫4人。其中，步林是瑞典古生物学家，李捷是中国地质调查所的地质学家，是周口店工地的负责人。刘德霖和谢仁甫则担任野外发掘的技术助理和室内化石修复工作。
1927年3月，周口店的野外工作正式拉开序幕。李捷带领一名工人对周口店遗址进行了测量绘图工作，为正式发掘工作提供依据。经过大约一个月的辛苦工作，绘图任务完成，李捷返回北京汇报，留下两名工人看守工地。
1927年4月14日，在步达生的统一安排下，刘德霖、谢仁甫乘火车去周口店工地。次日，李捷和步林乘汽车前往。4月16日，周口店发掘工作正式开始当时在工地上，人们虽然都怀着热望，满怀激情地工作着，但场面依然十分冷清。在远离北京百里之外的周口店遗址，这些人的刨刨挖挖，并没有引起世人的多少关注，甚至周口店的村民也不感兴趣。耐住寂寞的这些人不辞辛苦，他们住在一所名叫“刘珍店”的小骆驼店里，小店只有九间土顶土墙的小小房子，就在坝儿河右岸，距离北京人遗址近在咫尺，伙食条件很差。由于交通闭塞，这里购买日常所需也有困难，有时不得不从北京城里运送所需的物资。就是在这种困难的条件下，发掘工作仍然没有间断，这些考古学家的敬业精神确实令人感动。
周口店北京人遗址在龙骨山上，在安特生的记录里被称为“第五十三地点”，李捷和步林进行发掘时改称“第一号洞”，后来德日进和杨钟健在1929年发表的报告里称它为“周口店第一地点”，这个名称沿用至今，这个地点的堆积不但情况复杂，而且堆积层相当厚。工作之初，步达生曾估计野外工作至多需要两个月甚至更短的时间，他草拟了一个工作计划，翁文灏略略补充后交给步林。但是随着工作的开展，人们逐渐意识到，仅有几个月的时间是远远不够的，事实上，周口店遗址的发掘一直持续到抗日战争爆发，由于战乱才被迫停止。到新中国成立后，发掘工作又得以继续进行。由此可见，周口店这块远古人类的圣地上，埋藏着多么丰富的宝藏。北京猿人复原塑像
1927年的工作共进行了6个月，收获颇丰。不仅采集到各种远古动物化石500余箱，而且又找到一颗完美无缺的人牙化石，再一次证明师丹斯基所发现牙齿化石的可靠性。贾兰坡、黄慰文合著的《周口店发掘记》中摘录了一封步达生写给在瑞典的安特生的一封信；“我们终于得到了一颗漂亮的人牙！”“这确实是一个令人振奋的消息！”“步林是一位优秀而热心的工作者，他在地方上不安宁的环境下，不顾战乱，坚持考察工作。10月10日翁博士考虑到地方打仗，曾从大连发来急电，督促我把步林和李捷叫回来。但是，我在这里详细地打听之后，觉得还不必这样做。于是，我写信给步林，讲明当前的局势，告诉他说，不管是他还是李捷，我希望他们都不可去冒什么风险。不过，因为他们了解当地情况，所以对于什么时候撤回北京，完全应该由他们自己作出判断。”“他们那里有60人，所以每天开销颇大。我因委员会的日常工作缠身，未能亲身下去。谢仁甫亦因地方打仗不能去到周口店。10月19日晚，当我于6点30分开完会回到办公室时，发现步林在那里。他身穿野外服装，风尘仆仆，但脸上却挂着幸福的笑容。他不顾战乱而完成了这个季度的野外工作，在10月16日发现了那颗牙齿。真是交了好运，终于从堆积物里挖到这颗人牙。我太兴奋、太惬心了！”从信中不难看出，当时人们发现远古人类的牙齿化石时的喜悦之情，也可以看到，当时正是军阀混战时期，环境很不安定，这给周口店的发掘工作增添了很大的困难。
冬去春来，1928年的春天又一次降临周口店，发掘工作仍旧在4月份开始。就在这一年，李捷离开了周口店，刘德霖则参加了一个中亚考察团。工地上除步林外，又补充了两位中国人，一位是杨钟健，北京大学地质系毕业生，曾去德国学习古脊椎动物学，师从施洛塞尔教授，1928年春学成回国。还有一位是裴文中，刚从北京大学地质系毕业的大学生，年龄仅有24岁，开始时负责管理帐目，也参加发掘。他在发掘方面表现出的天赋和认真态度，深受步林赏识。工作开展不久，战火波及到周口店地区，为确保安全，工作队撤离，一直呆到8月份，留守工地的工人到北京报告说事态基本平息了，才重返工地。但这样一来，原定的发掘计划被打乱，为完成既定目标，步林和裴文中坚持工作到11月底，大雪封山后才回到北京。这一年的工作虽然被打乱，但收获却比以往都要好，竟然发现了两件远古人类的下颌骨化石，其中一件上面还有三颗完整的臼齿。这个发现太重要了！它不仅为早在牙齿化石发现时已经提出的“中国猿人北京种”提供了更有力的证据，而且它使安特生、步达生等人看到了一线曙光，收获愈来愈丰富，人类遗骨化石发现也逐渐增加，谁敢肯定下面的地层没有更完整、更好的远古人类遗骨化石呢？言谈及此，当时的人们都非常兴奋，无不渴望尽快发掘，以发现更多的化石宝藏。这个冬天于是显得格外漫长，光秃秃的田野或者一望无际的白色雪原使得人们心烦意乱，但当时人们没有注意到，就在周口店遗址的雪野之上，远古的北京人，中华民族的祖先，已经再次对他的后世子孙微笑了。自然，这微笑无声无息，远没有周口店龙骨山远眺
肆虐的寒风和飘扬的雪花那样喧闹不已，但他的微笑那样地慈祥柔和，意味深长，以致于80年后的今天，当人们回想起北京人头骨化石重现的情景，仍然禁不住掩卷沉思，倏忽激动难抑，热泪盈眶。
下颌骨化石的出土，使远古北京人的化石材料大大丰富了，但仅依靠下颌骨复原远古北京人头像几乎是不可能的，远古北京人仍然与人们存在着一定的距离。何况周口店遗址随着工作的开展，发现其堆积之厚，包含物之丰富，都远远超过人们的想像。在这种情况下，谁也不想半途而废，步达生在国外积极活动，为发掘经费奔波。1929年4月，周口店遗址的发掘如期开工了。在这一年，步林终于抵抗不住西北科学考察团的诱惑，辞掉了周口店的职务，而去年刚刚参加工作的杨钟健博士又最终决定同法国古生物学家德日进去山西等地调查新生代地质，也在开工不久后离开了周口店。就这样，经翁文灏和步达生协商，决定把周口店工地全权交给裴文中负责，那时，裴文中刚满25岁！
1929年还发生了一件足以载人我国古人类研究史册的大事，这就是“中国地质调查所新生代研究室”的成立，由步达生担任名誉主任。这个研究机构的成立，对当时周口店遗址的发掘具有十分重要的指导意义，同时，它开中国研究古人类学的先河，对人才的培养和储备具有重要的作用。正是在它的基础上，新中国成立了以古人类学为研究对象的专门机构——古脊椎动物与古人类研究所，解放后在全国范围内开展的各项旧石器时代考古活动都与它密切相关。在这个研究机构的领导下，周口店的发掘工作在以后相当长的时间里得以顺利进行，再没有发生人才方面的困难，发掘所得的化石资料亦无须再运往国外，在研究室即可进行细致的研究。就在1929年，裴文中继续进行发掘工作时，德日进和杨钟健以新生代研究室为依托，对1927年以来系统发掘的材料进行了深入研究，并在12月出版的《中国地质学会志》第八卷第三期上发表了题为《周口店洞穴层》的学术论文，对前一段的工作进行了总结，详细介绍了周口店遗址发掘时各方面的情况，并将北京人遗址包含有化石的堆积物进行了分层，共分为10层，根据出土的动物化石确定堆积物的时代属于更新世，这为后来的周口店遗址研究乃至整个华北的第四纪地质学的研究奠定了基础。此时的裴文中，在周口店发掘工地上却正感到空前的失落。他在后来发表的《周口店洞穴层采掘记》中这样写道：“步达生、德日进和杨钟健指示完毕走后，山中顿觉岑寂，而过起孤独的生活。山中工作，遇到第五层，非常坚硬，我们怎样崩炸，都不见效，因之觉得山中工作颇有‘鸡肋’之感。”实际上，这个称为“鸡肋”的堆积层是碳酸钙渗入胶结的结果，而并非是堆积层底部，如同“食之无味，弃之可惜” 的“鸡肋”。就是在难熬的孤独之中，坚硬难啃的第五层终于清理掉，下面暴露出的不是岩石，而是新的堆积物！裴文中大喜过望，又全身心地投入到清理工作中，他不曾料到，震惊世界的发现就要在他手下诞生了。
这一年的秋季工作开始后，发掘的部分渐渐缩小，后来变得仅能容下几个人进行发掘，裴文中推测这应该快到洞穴底部了，但就在这狭窄的底部，突然又出现了向南延伸的一块空隙，这块小小的空隙后来被称为“猿人洞”，就在这块空隙的下层，发现了第一个完整的远古北京人头盖骨化石！
发现这个北京人头盖骨化石的过程也非常艰辛。因为空隙狭窄，清理不久，就只能容几个人腰上系绳下到里面，用汽灯照明进行工作，后来汽灯也嫌大，只好一手持蜡烛，一手拿工具清理。也许是这种刻骨铭心的经历，使当年参与其事的几位老技工在时隔50余年之后，仍然对头盖骨化石的出土记忆犹新。历史会永远记着这个日子，1929年12月2日下午4时，当时正值寒冬，太阳就要落山了，凛冽的北风，让工地上的人们感受到一阵阵的寒意，但人们丝毫不以为苦，仍旧在空隙中紧张地工作着。由于空隙中出土化石很多，裴文中也下来同技工一同工作。一位技工忽然小声说这里有一个圆圆的东西。裴文中赶忙过去，小心翼翼地进行泥土剔除，直至这个圆圆的东西大部分显露，他大喊起来：“人头！人头！”人们纷纷围拢过来，内心里再也抑制不住喜悦，他们的企盼压在心底已经很久很久，而今天，就是现在，神秘的远古北京人终于露出了庐山真面目，他们，则成为幸运的发现者。一时间，人们相互对视，会心一笑，竟然忘记了欢呼，忘记了呐喊。远古的北京人在经过漫长跋涉之后，终于重返人世间！
发现的是一个很完整的头骨，暴露出大部分，其余尚埋藏在坚硬的沙土中。当时正值冬季，天色已晚，洞中的光线很暗，但是人们都很兴奋，在摇曳昏黄的烛光下继续工作。下面的沙土十分坚硬，给工作带来很大困难，结果直到下工时间，仍然没有能够把头骨完整地取出。许多人主张第二天继续工作，但裴文中心里知晓它的分量，担心过夜会遇到意外，决定使用铁撬。这种方法十分危险，在正规的考古操作规程中是严令禁止的。果然一撬之下，头骨立即碎成很多大小不等的碎片，破坏了这件珍贵文物的完整性，但在当时兵荒马乱的时代，这也是不得已而为之的事情，而且正好借此测量到了北京猿人头骨化石的厚度。日后的修复证明，这件化石受到的损坏是微乎其微的。头骨取出之后，裴文中带领一伙技工凯旋了，把北京猿人头骨化石安置在租用的临时办事处后，他连晚饭也没有吃好，因为他太高兴了。他连夜给翁文灏写了一封信，派专人次日早晨送去，又在第二天早晨发了一个电报给步达生，通知他这个好消息。