在已经过去的90多年的地质古生物调查中，于泥河湾盆地中发现的哺乳动物化石地点已过半百，出土动物化石几万件，已正式报道的种类有130余属种，其中近30个属种最初是以泥河湾材料命名的。这130余个属种，大多数已经灭绝，有的也已迁出本地区，而今仍在本地存活的已寥寥无几。各种文献所报道的在泥河湾盆地（广义）发现的哺乳动物化石种类有：食虫类、啮齿类、兔形类、蹄兔类、食肉类、长鼻类、奇蹄类、偶蹄类等，其中有第三纪残留属种，如蹄兔类、山西猞猁、剑齿虎、轭齿象、三趾马、巨副（骆）驼、古麟（古长颈鹿类）、大型羚羊（旋角羚羊）等；更有第四纪特有种类，如狼、斑鬣狗、草原猛犸象、真马、板齿犀、披毛犀、梅氏犀、真枝角鹿、大角鹿、四不像鹿、转角羚羊、原始牛及野牛等。既有被称之为“泥河湾动物群”的桑氏狗、纳玛象、布氏大角鹿、野牛、中国长鼻三趾马等代表了地质发展史上的第四纪初期的属种，也有大量的新物种，如桑氏水獭、肿颌鼬、泥河湾巨剑齿虎、三门马、双叉四不像鹿、华丽水鹿、中国羚羊、翁氏扭角羊、中国古野牛等，并且从距今200万年至3000年的生物种类都有，连续而无断代。其中属于国家规定的二级重点保护的古生物化石有变异副鬣狗、桑氏硕鬣狗、泥河湾披毛犀、长鼻三趾马。在泥河湾各个时期动物群中，马科动物最为常见，从早期的三趾马到早-中更新世广泛分布的三门马及晚更新世的普氏野马，几乎所有遗址都有马化石发现，尤其是许家窑遗址，出土了大量普氏野马化石材料，仅牙齿就有数千枚。此外，各种羚羊、犀牛及大象也很常见。
泥河湾盆地哺乳动物群总体反映干冷草原环境，与现今的气候环境差别不大。可以想象，远古时代的泥河湾盆地，一定是众多哺乳动物的乐园；而如今的泥河湾盆地，虽然再也看不到昔日的景象，但它却是十分珍贵的天然地质考古博物馆，是一部不可再生的万卷史书，是普及地质、生物、人类知识的科学殿堂。
泥河湾重要性之三：极有可能是东方人类的故乡和发源地我作为泥河湾国家级自然保护区的负责人，无论走到哪里，听到人们问的最多的是：你们泥河湾找到人的化石没有？什么时候能找到？究竟能不能找到？
的确，这是需要靠时间和实物来回答的。可我坚信，泥河湾应该能够发现远古人类的化石，也极有可能是东方人类的故乡和发源地，因为泥河湾地层中蕴藏着众多、极其珍贵的古人类遗址，是中国北方乃至东亚地区早更新世旧石器文化遗址分布最集中的地区，并且依据现有古人类遗址发现推测，本地区人类活动也已经可以追溯到200万年前。
泥河湾盆地旧石器时代文化遗存具有数量多、范围广、时代早、连续性强等特点。历经半个世纪、数代考古工作者的努力，目前已在盆地内发现旧石器各个阶段的遗址100余处，遍及盆地自东向西82公里的范围，时代自距今175万年的早更新世早期至1万年左右的晚更新世之末。
1965年，王择义、王向前、武文杰等在盆地中部的虎头梁一带发现了2处旧石器时代晚期遗址，揭开了盆地旧石器时代考古的序幕。
1972年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所研究员盖培和卫奇在这里发现旧石器遗址，1972-1974年共调查和发掘了9个旧石器遗址，并根据其中发现的楔形石核，提出北太平洋地区马蹄形文化带的理论。1972年，盖培还在泥河湾村西的上沙咀村北发现一块旧石器，在当时引起轰动，许多学者包括杨钟健、裴文中纷纷到泥河湾考察这一旧石器地点。1974年6月4日，时年78岁的中国地层古生物学泰斗杨钟健院士特别率领贾兰坡、安志敏和孙殿卿等教授到上沙咀地点考察，杨钟健站在石器地点兴奋地说：“我才18岁。”
1974年，著名地质学家贾兰坡院士和卫奇研究员在雁北地区进行旧石器调查时发现了许家窑-侯家窑遗址。1974-1979年中国科学院古脊椎动物与古人类研究所、2007-2008年河北省文物研究所等单位对其进行了多次不同规模的发掘，历次发掘总面积超过1000平方米，除发现数以万计的石制品、动物化石外，还出土了古人类化石17件。包括顶骨、枕骨、上颌骨、牙齿等，分属十多个个体。其头骨骨壁较厚，枕骨圆枕比北京人弱得多，枕骨曲度角大于北京人，上颌骨比较粗壮，吻部前倾的程度中等特点显示：侯家窑遗址的人化石属于早期智人类型。铀系法测定的年代为距今10万~12.5万年，与动植物的时代特征相符，都说明该遗址的时代为晚更新世早期。这是首次在泥河湾地层中发现古人类化石，具有开创性的意义。侯家窑遗址的遗物以石制品为主，历次发现的数以万计，石器包括：刮削器、尖状器、石锥、雕刻器、砍砸器、石球等。突出特点是以小型的为主、类型以刮削器为主体并兼有大量的石球，这种组合很特别，国内外还没有发现过。总体看来，属于北方以小石器为主的主工业类型，是北京猿人文化的继续和发展，是联结中国北方旧石器文化发展的重要环节。
1978年，尤玉柱、汤英俊、李毅等在对蔚县盆地与阳原盆地进行调查时，在阳原县桑干河右岸大田洼乡官厅村西北500米、北纬40毅13忆181″东经114毅39忆75″处的泥河湾层内发现了第一处早更新世遗址--小长梁遗址，并进行了试掘，出土石制品804件以及许多哺乳动物化石。这是首次在泥河湾层中发现旧石器，为后来一系列旧石器地点的发现奠定了基础。小长梁遗址的地质层位位于早更新统泥河湾组下部，经中国科学院地球物理研究所朱日祥院士，Hoffman和Potts等古地磁测定其时代为距今136万年，这一结果于2001年9月27日发表于英国著名的《自然》杂志。报告一发表，立即引起了国际学术界的高度重视，仅隔一天，与《自然》齐名的美国《科学》杂志随即发表评论文章，对此项研究成果予以充分肯定。随后英国BBC、美国国家地理杂志等世界有影响的媒体都进行了详细的报道，泥河湾迅速成为东亚早期人类科学考察的热点。2000年，小长梁遗址作为我国古人类活动最北端的见证和中华大地古人类早期发祥地之一，被镌刻在北京中华世纪坛270米青铜甬道的第一块铜板上，昭示和标志着中华文明的起点。
1992年，河北省文物局副局长谢飞等在阳原县大田洼乡岑家湾村西南约1千米南端调查时发现了马圈沟遗址，1993、2001-2005年，河北省文物研究所对其进行了多次发掘，历年发掘总面积近400平方米，出土石制品、化石、自然石块等遗物5000余件。遗物埋藏于距地表20米以下的泥河湾层中，遗址内发现有人类活动面、象足迹坑两类重要遗迹。人类活动面发现于第三文化层。该遗迹是以草原猛犸象（以肋骨为主，另有少量门齿、脊椎骨和肢骨）化石为主体，间有石核、石片、刮削器和自然石块的遗物密集区。该区域内大多动物骨骼，尤其是象肋骨上有明显的人为砸击和刮削痕迹。从石制品和动物化石平面分布的情况看，人类在此进行过分割动物尸体、刮肉进食、敲骨吸髓等活动。2004年9月，马圈沟遗址的第四纪地质与年代地层学研究取得重要进展，通过科学分析测定，得到马圈沟遗址第一、第二和第三文化层的磁性地层年代学数据分别为距今155万、164万、166万年。这一研究成果以《人类最早出现在东北亚高纬度地区的新证据》为题在《自然》杂志第431卷发表，成果发表后引起国内外学术界的关注并被广泛引用。依古地磁的测定方法，马圈沟第四至第六文化层的年代分别为距今169万、174万、175万年。也有研究者根据文化层内哺乳动物，尤其是啮齿类动物化石的研究，提出第三文化层年代早于距今180万年的观点。大量旧石器和丰富的化石材料表明，她是目前华北最早的旧石器遗址。
90多年来特别是改革开放以来，中外专家在泥河湾地区共发现旧石器遗址达150多处。全世界100万年以上的遗址有53处，而有38处就在泥河湾，比较著名的有黑土沟、马圈沟遗址、小长梁遗址、东谷坨遗址、飞梁遗址、岑家湾遗址、板井子遗址、红崖遗址、雀儿沟遗址、下沙沟遗址、百草沟遗址、钱家沙洼遗址、石匣里遗址、油坊遗址等人类遗址。因此泥河湾旧石器遗址群的发现与发掘被列为中国20世纪100项考古重大发现之一。