3万年在历史的长河中只是一瞬，但对于人类的发展而言，却是何其漫长。曾经辉煌久远的历史往往是在不经意中被后人所识，水洞沟原始文化遗址也是如此。水洞沟位于宁夏灵武横山堡以西4公里的明长城南面，面临着一条远古时代就自然形成的边沟。边沟常年有水，清澈见底，发源于水洞沟遗址东边约28公里的清水营，由东向西流入黄河，沿途将鄂尔多斯台地南缘冲蚀切割成两壁峭立的深沟峡谷，形成了独特的雅丹地貌土林景观。
1919年，比利时人肯特在由银川前往陕北的途中，于水洞沟东边的黄土状岩石短崖上发现了一具披毛犀的头骨和一件保存完好的石英岩石器。回国后，肯特透露了在水洞沟的发现。消息很快传到法国地质学家、古生物学家德日进的耳中。1923年，德日进、桑志华率领“法国古生物考察团”从甘肃东部进入了宁夏，开始了水洞沟之旅。他们的驼队打出一面由红、白、蓝3色组成的旗帜，上面绣着“法国进士”“中国农林咨议”和“桑”等字。德日进、桑志华并没有在中国考取过进士，“法国进士”的称号只是套用了他们的博士学位，并将博士“中国化”了，而“中国农林咨议”是1917年德日进访问北洋政府农林部时，随便讨取的一个虚衔。这两个奇怪的官衔使“法国古生物考察团”在西进途中得到很大的帮助，在进入宁夏境内时，当时的地方政府以京城来的外国官的礼遇相待，很是恭敬。
根据我国著名考古学家贾兰坡在1982年第一期《化石》杂志发表的《我所认识的古生物学大师——德日进》一文中有关回忆和相关资料记载，可以得到德日进、桑志华等人的考察行程：
1923年，德日进、桑志华和法国人类古生物研究所的“法国古生物考察团”为执行科研计划，5月23日从巴黎到达天津。6月11日经北京至包头，转至直奔内蒙古鄂尔多斯。考察以包头为起点，沿着黄河左岸西行，穿过乌拉山到狼山东麓，然后折向西南，在磴口附近东渡黄河，后又傍黄河右岸向南到银川东南的横城，最后到达水洞沟，住进了“张三小店”。7月21日，渡黄河至横城；7月22～23日在水洞沟考察2天，之后，德日进和桑志华等人入住“张三小店”；7月24日在清水营工作，接着“法国古生物考察团”继续东行去萨拉乌苏河考察。
从考察行程分析，水洞沟仅仅是“法国古生物考察团”一个点，但后来却成为当年考察发掘的重点工作区。
那时，水洞沟遗址所在地区荒无人烟，西距水洞沟十几公里的临河镇石坝村也不过四五户人家。考察队落脚的“张三小店”可能是水洞沟唯一的现代人工建筑。“张三小店”的主人名叫张梓，排行老三，故被称为张三。“张三小店”原是张梓父亲所开的车马店，车马店北距水洞沟遗址约500米，是银川至内蒙古、陕北的必经之路。
当时，德日进和桑志华晚饭后坐在东台上闲聊。不经意，他们发现崖壁上有磷火闪现。德日进和桑志华随后就去崖上挖掘，在挖出一块动物头骨化石后，他们决定在“张三小店”住下来。这一住，从此也使中外考古学界知道并记住了“水洞沟”这个名字。从此也使“张三小店”在考古史上留下了大名。
经过40多天的发掘，德日进和桑志华在5个挖掘地点获得了大量打制石器和破碎的动物化石。德日进和桑志华挖掘出的石器种类主要有一侧或两侧有刃的刮削器，有一端锐利的尖状器，还有沉重的砍斫器。其中，出土数量最多的是刮削器、尖状器，打制比较均匀、平整，器形端正，左右形状比较固定，这是水洞沟文化中具有代表性的器物之一，特别是有纵背的长叶形尖状器，在国内同时代的其他遗址中实为罕见。这些特征与莫斯特文化极为接近。有些尖状器完全可以和欧洲的典型莫斯特尖状器相比，不但加工的方法相同，而且器形也无二致。
根据德日进和桑志华的研究调查，认为在整个水洞沟盆地的黄土中“埋藏着许多完全一致的旧石器时代制作场遗址。这是由黄土形成期间住在该区域的居民所留下的”。除旧石器外，他们还在水洞沟村的周围及长城外采集了大量的、被他们定为新石器时代的燧石制品和磨光石斧等。这就是说，在水洞沟文化遗址保护区及至更大范围的水洞沟地区，地下埋藏着面积很大的旧石器时代石器工业制品的制作场。
德日进和桑志华回国后，与当时的世界考古权威、石器专家布勒·步日耶教授一起用了整整5年的时间，对水洞沟出土的石器进行了潜心研究，最后形成了水洞沟考古报告——《中国的旧石器》，并于1928年正式公布。水洞沟遗址的发现和发掘标志着“中国没有旧石器时代文化”这一论断的终结。这份报告也让世界考古界万分惊异地看到，在距欧洲如此遥远的荒原上，居然发现了与莫斯特文化技术风格相似的石器。水洞沟文化从发现之始就笼罩在迷雾之中：这种文化是如何形成的？当时在此居住的人群属于什么人？如此遥远的两个地方怎么会出现相似的文化？难道说两个地方生活着相同的一群人？水洞沟文化和莫斯特文化是否曾经有过来往和交流？水洞沟文化是否来源于莫斯特文化？如果是这样，它是如何传播来的呢？