第三次到龙山，吴金鼎和齐鲁大学一黄姓同学前往。他开始从地平下一丈二尺的地方凿一斜洞，挖了约半尺深，他发现一个完整的石斧。第二天，他对这个遗址进行全面勘察，层的土色不是红色即是灰色，包含物品以陶片最多，有骨、贝、石器等等。单从陶器看，最下层有一种黑色油光陶片，还有一种白色陶片。他推测，此前国内发现的仰韶文化以彩陶为特征，这里的油光黑陶或许就是龙山文化的典型特征。
考古挖掘工作需要高度的耐心和顽强的毅力，否则极易半途而废。8月12日，吴金鼎第四次前往龙山，在那里待了五天。龙山文化的范围很大，他绕着龙山遗址东西南北勘察一遭，周围七八里都留下他的脚印。最后，他推测，城子崖遗址及孙家庄南崖的灰土层为龙山文化的最古层，龙山镇东大道沟两崖及东北大道沟北崖所包含的灰土层年代晚些，而镇西直至西河皆属较晚的文化区域，年代距今不远，镇北大沟所包含的文化层，年代较镇西最早。
9月28日，吴金鼎第五次去龙山。他在遗址中部发现一片被水冲刷极为明显的区域，他称为冲刷层，捡到一把完整的石刀和一把带孔的半块石刀，还有破碎的石器和陶片。当地的农民告诉他，这个地方处于鱼脊骨上，石块较多。征求农民同意后，他在田里东西两边各挖了一个五六尺长的坑，发现的骨具、陶片与地面所露的相同。回去后，他立下誓言，“将来机会苟如我愿，吾将在鱼脊骨中上凿百丈长之深沟，以窥龙山文化之底蕴。”
第六次去龙山是在10月9日，吴金鼎采取以前惯用的“向壁深凿法”，在大道旁东西两台的最高壁上凿洞。每获一物，他都记下离地的深度，以及其在遗址的位置。他满载而归，获得石斧、石凿、油光黑陶杯，都很完整，还有陶片标本、碎石器、骨贝数块等。
推倒中国文化西来谬论
吴金鼎将发现的情况告诉中央研究院历史语言研究所，联合起来两次对城子崖遗址展开科学发掘，所获颇丰。发掘工作结束后，吴金鼎完成了《龙山黑陶文化之今天的观察》，是考古学者关于龙山文化中最早的文章。傅斯年、李济、董作宾、梁思永、吴金鼎等编著的考古报告集《城子崖》，揭开中国史前文化研究的新篇章。至此，历史夜空又亮起一颗明亮的星星:龙山文化。
“由这遗址的发掘，我们不但替中国文化原始问题的讨论找了一个新的端绪，田野考古的工作也因此得了一个可循的轨道。”李济在《城子崖报告序》中说道。值得一说的是，挖掘出的蛋壳黑陶，黑如漆、亮如镜、薄如蛋壳、硬如瓷，而“掂之飘乎若无，敲之铮铮有声”，被誉为“4000年前地球文明最精致之制作”。
很多学者将城子崖考古称为“中国考古第一案”，这无不说明吴金鼎考古发现的意义深远。不仅如此，吴金鼎的发现还有力粉碎了中国文化“西来说”的谬论。1921年，瑞典考古学者安特生在河南渑池仰韶村发现了仰韶文化，在没有弄清其本质的情况下，他就断言中国远古文化的根在它的本土之外，是由西方经西亚地区传入的。由于安特生在国际学术界的声望，这一谬论影响很大。
对此，吴金鼎十分冷静，他通过严谨科学的发掘和研究，揭开中国远古文化根源之谜，以无可争辩的考古资料证明中国远古文化源于本土，成为中华文明发展史的历史见证。1930年至1931年，吴金鼎任国立中央研究院历史语言研究所助理员，他与李济、董作宾、梁思永、郭宝钧等人撰写并发表了田野考古报告集《城子崖》，揭开了中国远古文化根源之谜。以大量的资料证明中国远古文化源于华夏本土，推倒了当时认为中国没有史前文化和中国文化由西方而来的说法。
“在中国考古家由早到黑发掘古物的时候，没有人会想到这种‘无聊的'乌龟壳研究会有什么用，但是这三四十年来的古史研究，竟使我们发现我们民族的脐带究竟在什么地方，使我们民族的心胸遥远地跑到长城以北、玉门关以外，这对民族自信心的鼓舞，总比空头口号家的‘大哉中华’来得实际有效吧。”这段话出自台大历史系毕业的李敖(摘自岳南《南渡北归》)。
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