1974年3月，陕西临潼县晏寨乡西扬村村民在秦始皇陵东1.5公里处打井时，意外地发现了许多碎陶人，经考古工作者研究探测，这是一个长方形的秦代兵马俑坑。1976年通过钻探，在此坑的北侧20和25米处分别又发现了两处兵马俑坑。按照它们发现的时间把它们分别定名为兵马俑一、二、三号坑。三个坑的总面积为22，780平方米。庞大的兵马俑军团以其精湛的技艺、完美的造型让世界为之惊叹。一时间，这片神奇的土地吸引了全世界的关注。
1962年，人们对秦始皇陵园第一次全面的探险勘察。考古人员绘制出了陵园第一张平面布局图，历经两千多年风雨沧桑的秦始皇陵园，第一次清楚地露出它的轮廓。经探测，陵园范围有56.25平方公里，相当于近78个故宫，面积之大在世界上也属罕见，因此引起考古界轰动。在陵墓中心区，考古人员勘测出地下有保存完好的建筑遗址，布局长方形，有内、外两城，封土位置位于在内城的南半部，近似方形，占地面积近25万平方米。
由于人们对皇陵总有一些恐惧和敬畏，这大概是受埃及金字塔法老诅咒的影响，因此，对秦始皇陵的科学探险是非常谨慎的。经过中国探险队长期的勘察，人们对秦始皇陵逐渐有了了解。
巨大的封土岭
巨大的封土是用一层层黄土夯筑而成，当初为了显示始皇帝的尊威，夯土用的是经过炒制的熟土，这样便能够寸草不生。封土还有另一个重要作用，就是保护下面的地宫。不久前，秦始皇陵考古队在封土南部向下约十六七米处发现一层厚厚的石层，最厚处竟有三四米，这是文献资料中从来没有记载过的。这厚石层会不会是地宫的顶盖？考古队决定在封土岭上进行有针对性的探测。
数以万计的兵马俑
兵马俑坑是秦始皇陵的陪葬坑，位于秦陵陵园东侧1500米处。目前已发现三座，坐西向东呈品字形排列，并出土仿真人真马大小的陶制兵马俑8000件。陶俑神情生动，形象准确，轩昂；陶马造型逼真，刻画精致自然。兵马俑是秦国强大军队的缩影，布局排列如家军阵，气势凛然。兵马俑多用模塑结合的方法制成，先用陶模做出初胎，再覆盖一层细泥进行加工刻画加彩，有的是先烧后接，有的是先接再烧，火候均匀、色泽单纯、硬度很高。兵马俑陪葬坑均为土木混合结构的地穴式坑道建筑，像是一组模拟军事队列、旨在护卫地下皇城的“御林军”。从各坑的形制结构及其兵马俑装备情况判断，一号坑象征由步兵和战车组成的主体部队，二号坑为步兵、骑兵和车兵穿插组成的混合部队，三号坑则是统领一号坑和二号坑的军事指挥所。
地宫之谜
地宫是放置秦始皇棺椁和随葬器物的地方，两千多年来，深藏地下的地宫构成了先秦文化中最大的谜团之一。近年，我国开始利用遥感技术、地球物理探测技术以及考古手段对秦始皇陵地下结构的整体布局进行全面无损探查，获取了一系列的新发现：
地宫内存在明显的汞异常。勘探过程中发现了大范围、含量较高的汞，且东南、西南强，东北、西北弱，从而验证了《史记》中有关秦始皇陵地宫内“以水银为百川、江河、大海”的记载的真实性。据估计，如果始皇陵地宫中以水银为百川、大海，估计至少使用了一百吨水银。秦始皇以水银为江河大海的目的，不单是营造恢弘的自然景观，在地宫中弥漫的汞气体还可使入葬的尸体和随葬品保持长久不腐烂，而且汞是剧毒物质，大量吸入可导致死亡，因此地宫中的水银还可毒死盗墓者。
通过自然电场法和核磁共振法，探测发现在墓室和整个地宫范围内都没有含水区，否定了人们所担心的秦始皇陵地宫已经进水坍塌的猜测。墓室位于地宫中央，高15米，东西长约80米，南北宽约50米，墓室周围有一层细夯土质地的巨大宫墙，夯层厚约6—8厘米，宫墙高度为30米，顶端比秦代当时的地面要高。
发现地宫内有东西墓道，秦始皇陵在古代陵墓中独树一帜，在结构等方面均与众不同。秦汉时期古墓一般均有东西南北四条墓道，但秦陵却仅有东西两条墓道。此外，为了保持地宫的干燥，地宫内还存在一个十分发达的主排水的系统。
地宫的深度是研究者们争议最大的地方。其中最大胆的推断出自于欧洲核子研究中心的研究人员，他们推断地宫的深度在500米到1500米之间。多数中国学者认为这个数字难以置信。有人推断地宫的深度至少在50米以上。
考古队最近有一个重要发现——地宫防水大坝，并由此推断地宫深度将低于30米，否则地下水将从高处渗入地宫。
群葬坑
2003年初，一个罕见的“群葬坑”惊现秦始皇陵区。据推测，坑内可能埋葬着数十名专为秦始皇陵烧制砖瓦的工匠。如此大规模的“群葬坑”在秦始皇陵区还是首次发现。“群葬坑”位于秦兵马俑博物馆正门东北方向数百米处，深约十二三米。坑底横七竖八地躺着七八具尸骨，骨架较大，有的仰面朝上，有的做各种蜷曲状，且相互叠压，可以想像他们当年是被非常残忍地扔进坑内的。有关人士分析，这一“群葬坑”为埋一层加一层土，系多次埋葬。从坑的形制看，非常简单粗糙，显然不是认真掩埋。
地下“国库”
考古专家在对秦始皇陵进行核磁扫描后发现，在秦始皇尚未被开启的墓穴中存有大量古钱币，这些钱币应当是秦代的国库。但由于秦始皇的地下王宫太大了，挖掘后，人们没有办法保护它。国家文物局一贯不提倡主动发掘，按照《中华人民共和国文物保护法》有关规定，除非是遭遇到一定自然灾害、盗墓或者关系到国计民生的重大工程，考古学家才被允许对这类地点进行保护性发掘。