经过数次系统发掘和研究，国内外学者公认，水洞沟遗址在中国旧石器时代、特别是旧石器时代晚期文化中占有特殊地位，对本地区乃至周围地区以后文化的发展都产生了巨大的影响。
根据对历次考古发掘得到的文物所进行的研究，我们得以管窥水洞沟文化的真容，水洞沟文化在人们的视野中也逐渐清晰起来。
水洞沟的古环境特征。水洞沟遗址年代距今2.5万～1.6万年，在遗址旧文化层更新世晚期，水洞沟植被的基本特点为荒漠草原（贺兰山云杉曾有一定量的扩展）。在晚更新世晚期，植被旱化加重，荒漠植物增多。在全新世早、中晚期，水洞沟植被基本面貌仍为荒漠草原，只是在全新世中期，水洞沟周边山区树木，特别是阔叶树增多，而且水洞沟盆地中的积水形成大片湖泊，在有的浅水沼泽中，还生长着占优势的硅藻植物群。在更新世晚期有黑色淤泥沉积，云杉花粉增多，说明当时我国北方东部河谷、平原区的冷湿环境也影响到了水洞沟地区。
对1980年发现的古脊椎动物化石进行分析，水洞沟遗址在晚更新世（旧文化层），曾经活动着披毛犀、普氏野马、野驴、鹿、水牛、普氏羚羊、鸵鸟等动物。根据水洞沟更新世晚期地层出土动物化石所反映的自然环境，可以认为，在水洞沟文化时期，这里的自然环境是地势平缓的草原荒漠地带，气候干凉，一度变得冷湿。这和孢粉分析的结论完全一致。
水洞沟文化的生存环境。水洞沟遗址的地层属“晚更新世和全新世的河湖相沉积物——砾石、沙、黏质砂土、粉沙、淤泥和泥炭，厚度为10～20米”。推想该地层底部的砾石层，约形成于玉木亚间冰期的洪水冲积，水洞沟古人类在其后的冰期来此扎下了根。当时，地表的砾石层以外约为广阔的黄沙土地面，同现在差不了多少。砾石层有打制石器的原料，黄河沿岸荒草丛生，有混交林木、沼泽以及裸露的砾石层，水洞沟古人类在此长期集居，可以确认该时期系晚更新世的干旱冰期，非暖期。关于距今年代，遗址地层年代测定的结果，与《中国第四纪研究》的黄海海侵、海退年代测定的结果有着惊人的接近。遗址年代和晚更新世冰期系列年代，互相对照证明正确，作为分析的科学依据是可靠的。玉木冰期系列的时期是生存能力较高，不怕冷、善于渔猎、善于采集食物、会用火、会制皮衣、会搭窝棚和帐篷、会用畜力在冰雪上运输的大脑发达起来的晚期智人在世界各地开始大迁徙的时期。这个时期中国大陆黄种人类有向赤道热带、中南半岛和中国台湾的迁徙，有向东北亚和朝鲜的迁徙，也有向北美洲的迁徙等。这个时期以后进入了冰后期，气候转暖，高原上冰雪消融，海面上升使陆桥消失，大地遍布水网、沼泽，古人类行走不便，大江、湖、海成了地理障碍，世界上的晚期智人大迁徙就暂告结束。但短程的小迁徙随人口增长不断发生，由于地理的隔离和聚落体的控制逐渐地形成了不同人种，原始时代向着更高级社会过渡。
水洞沟古人类必须在静态中保持体温，如睡觉、休息、就餐和做手工活等，为此开始建造草泥窝棚，内设小炉灶取暖，兼用兽皮铺盖等，从而有力的克服寒冷带来的不便。昼间渔猎、采集活动也必须保持体温，此处出土“石片”、端刮器、边刮器等石器，用以把兽皮里面的脂肪膜刮掉，或也可能会用大漠上到处有的芒硝浸泡，形成制作毛皮工业。北方的晚期智人均具有了此等智能，与打制石器、制骨角、草编、树条编等协同，还有制皮绳、纤维绳、皮条、弓箭和磨箭头等配套项目，组成必须从事的生产体系，否则难以在北方的冰期生存。手工业各系统虽然是原始的，但创造、发明、新技术、新工艺、开拓和资源利用等，均系发展、进化、进步的动力，它普遍存在于漫长过程中。
水洞沟遗址出土的文化遗物，与同期其他遗址的遗物相比，有较进步的石“刀片”、箭头、钻具、磨石、骨锥、炉灶遗迹、饰物和玛瑙石等。由此证明水洞沟古人类的进步水平，与山顶洞人、创造下川文化的古人类和峙峪文化古人类有相同水平的思维能力。既有箭头就有弓箭，这是当时的先进武器，能在几十米以外防卫和猎获。磨石的出现标志磨制工艺已被发明，它的作用和影响是划时代的。饰物和玛瑙石表明古人类美的感觉提高到了新水平，并证实水洞沟古人类视神经功能已进化到位，眼里不仅是黑白两色事物，同时看到了色彩斑斓的美丽世界，生存意识领域发生了认识上的大飞跃。
水洞沟遗址出土文化遗物的地层，沉积物底层砾石和沙不仅表达了由洪水冲积形成该层位的信息，而且从石器原料的砾石、石英岩和燧石等看到，古人类的生存选择了一块地表较高和石器原料较丰富的产地扎营，与山西朔县峙峪古人类遗址一样，也处于晚玉木冰期的最冷时期、干旱无洪水的时期。考古的研究证明，水洞沟石器的技术风格分别为石叶和小石器两种工业。小石器工业制品包括捶击、砸击两种技术产生的石核和石片，石器有边刮器、凹缺刮器、拇指盖状端刮器、尖状器、箭头和钻具等。而石叶工业的断片中至少有一部分可能充当镶嵌工具的“刀片”。石器有尖状器、端刮器、新月形边刮器、凹刃刮器、双直刃边刮器、单直刃边刮削器、雕刻器和钻具等类。1980年出土了3件人工痕迹清楚的磨石。1963年发现一件骨锥和一件鸵鸟蛋皮穿孔而磨制的饰品。由此可见，水洞沟文化包含两种石器文化的技术风格，但以石叶系列石器为主体，前已述此与就地取材有关，或对选拣的砾石稍稍加热打成石片，原料丰富促进了石叶工业发达和技术领先，吸引着古人类在此地生存近万年。这一过程中必然与华北地区古人类有直接地或间接地交流，由此认为小石器风格有来自华北北部的影响。
另外，从出土文化遗物中看到陕甘地区的泾河文化古人类惯用较大型石器，其分布呈现朝向北东方向移动的趋势，笔者推想这部分古人类的发展、进化形成了大群体，在有较高生存能力的推动下，为追逐食草动物于晚玉木冰期迁徙至黄河沿岸的溪流旁扎下，形成了灵武水洞沟古人类及其遗址。石叶断片的“石刀”被发现，说明以往石器的刮削、砍砸功能已不足应用，“刀片”的出现表明有新的功能要求，同时表现古人类的思维能力随劳动实践继续在提高。石“刀片”镶嵌在木柄头上作业，此复合形式既当武器又当猎具，柄石刀可归入“万能”工具行列。木柄头上镶嵌石“刀片”，类似中国古代兵器的，像斧而有长木柄，流传了许多朝代。出土的磨石大约可磨刀片的刃和箭头，同时可磨骨角器的尖和刃。想像中的古人类群体采集、渔猎行动，手持长刀、短刀、骨角矛和弓箭，群体生产同时是武装的群体驰骋于黄河东岸的荒漠上，独具的优势，使得他们的生存能力大大加强。
水洞沟文化的石器、武器全面进步，与同期峙峪文化、下川文化和山顶洞文化的水平相当，这个时期骨角工业方兴未艾，磨制石器工艺将全面兴起。