1969年10月18日，解放军366医院为落实林彪发出的紧急战备的“最高指示”，紧急疏散到了位于长沙城东郊五里牌外的马王堆。1971年为备战时需要，366医院党委决定在院内那个方圆几百米的号称马王堆的土包下，挖掘一个大型防空洞穴。当洞穴挖到十几米时，地下出现了赭红中夹带着白点点的花斑土，越往深处掘进越坚硬。当战士们终于穿透这种土层时，奇怪的现象出现了，一块又一块的白膏泥被挖了出来。当他们用钢钎对白膏泥进行钻探时，钻孔里突然哧地一声冒出一股呛人气体，只见一道蓝中带红的火焰鸣响着从钻孔里喷发而出，工兵团一位老工程师初步认定遇到了古墓。部队马上作为重要情报层层上报，当时国家文物局即批示要湖南开始发掘。
马王堆位于长沙市东郊长浏公路北侧，距市中心约4公里，据地方志记载为五代时期楚王马殷家族的墓地，故名马王堆。堆上东西又各突起土冢一个，其间相距20余米，因其形似马鞍，故也称为马鞍堆。1972年1月16日考古工作者首先发掘了马王堆汉墓一号墓，此墓深达16米，内中棺椁的边箱中塞满大量的随葬品，由文物上的文字可辨出此墓是西汉长沙国丞相利仓夫人辛追墓。4月28日，考古人员在内棺内发现了埋存地下2100多年仍未腐烂的汉代女尸。
1972~1974年，先后发掘三座西汉墓葬，马王堆实系西汉初期长沙国丞相侯家族墓地。堆上三座西汉墓，分别编为二号墓、一号墓、三号墓。三座汉墓中，在马王堆汉墓的三个墓中，二号墓由于早在唐代就被盗掘，而三号墓亦因白膏泥密封不严，故其墓主仅存尸骨，唯独一号墓主人长沙丞相夫人则避开了被盗的厄运，保存良好。
马王堆三座汉墓共出土珍贵文物3000多件，绝大多数保存完好。其中，一号墓出土的大量丝织品极为珍贵。这些丝织品中有一件素纱禅衣最具有代表性，该衣长1.28米，且有长袖，重量仅49克，轻若烟雾，薄如蝉翼，织造技术相当高超，精湛绝伦。一号汉墓的彩绘漆棺，色泽如新，棺面漆绘的流云漫卷，形态诡谲的动物和神怪体态生动，活灵活现，具有很高的艺术水平。另外还有近千支简犊，大量的封泥、印章，大量乐器、兵器、漆器、陶器、彩佣、竹木器、金属品、食品、香料、中草药、泥质冥钱等珍品，是汉初文明的形象缩影。
马王堆引起世界轰动的原因之一就是两千多年前的丞相夫人再次面世。她装殓的华美让人称奇，出土时，其外形完整无缺，全身皮肤细腻，皮下脂肪丰满，软组织尚有弹性，在往其体内注射防腐剂时，其血管还能鼓起来，就是手指和足趾上的纹络都非常清楚，令人不可思议。她的前额及两髻有木花饰品29件，并涂彩贴金，其头发编有盘髻式假发，其脸上盖一件酱色织锦和一块素绢，两手握绣花绢面香囊，两足着青丝履，贴身穿“信期绣”罗绮丝棉袍，外套细麻布单衣，然后包裹各式衣着衿被及丝麻织物18层，从头到脚层层包裹，然后横扎丝带9道，再在上面覆盖印花敷彩黄丝棉袍和“长寿绣”绢棉袍各1件，一共20层包裹，华贵非凡。此尸保存时间之长，程度之完好，在世界尸体保存记录中十分罕见。它既不同于木乃伊，又不同于尸蜡和泥炭鞣尸，而是一具特殊类型的尸体，专家们把这种类型的古尸命名为“马王堆尸”。这是防腐学上的奇迹，世界为之震惊。
帛书是马王堆汉墓中最为学术界所关注的，也是最有价值和意义的。如对帛书《周易》、《老子》、《黄帝书》、《五行书》、《战国纵横家书》的研究，填补了以往许多研究领域的空白，三号墓出土的大批帛书，内容涉及古代哲学、历史和科学技术许多方面，还有相当一部分自然科学方面的著作及各种杂书经整理，共有28种书籍，12万多字。在马王堆发掘的珍稀文物中，还有帛画帛图9幅，而那幅被称为“卦象图”的帛画，到目前为止尚未破译出它的真正内涵。
马王堆三号墓出土的12万字帛书，是不可多得的历史文献资料，它是继汉代发现的孔府壁中书、晋代发现的汲家竹书、清末发现的敦煌经卷之后的又一次重大古文献发现，对中国文献学和中国学术史的研究具有极重要的价值和意义。其内容涵括了中国古代传统图书分类中除诗赋类之外的所有门类，而且大部分是久佚的汉初乃至战国时期的珍贵历史文献，因而特别受到学术界的重视。三号墓三幅画在帛上的古地图成为世界上已知最早的地图。
马王堆医书已成为医学界的一个专有名词，共有14种之多。其中关于经络学说、药物学成就、诊脉法、古代医方、药剂以及养生学知识，均揭示了许多令当代人瞠目结舌的汉初医学成就，如《五十二病方》、《养生方》、《杂疗方》、《胎产书》等帛书的内容中，就反映了中国古代医学卓越先进的临床诊断知识水平。单从药物品种来看，马王堆医书中现存的药名总数就有394种。在《五十二病方》中能认定的197个医方中，用单药者78方，两味以上者119方，这表明当时已对药物的配伍组方有了一定的认识作用。此外，三号墓还出土了一卷图文并茂的彩色画，在长1米宽0.5米的绢画面上，用工笔彩绘了4排44个人，或徒手或持械，姿态各异，这就是古代《导引图》，此图是目前中国发现最早的一幅健身图，它为研究我国古老而独特的“导引”疗法的源流提供了极其珍贵的资料。而六种十篇之多的数术类帛书，因其整理相当困难，至今还有许多领域没有涉及，有待以后专家们的进一步研究。
三号墓出土的《五星占》和《天文气象杂占》两种天文著作，是世界上保存下来最早的天文书籍。证实了中国是世界上天文学发展最早的国家之一。
一号汉墓出土的帛画，是我国已知画面最大、保存最完整、艺术性最强的汉代彩绘帛画，该一画面呈“T”字形，上部宽92厘米，下部宽47，7厘米，长205厘米，属族幡一类的东西，出殡时放在行列前面，落葬后覆在棺上。帛画画面分天朝、人间、地府三段。天上为横幅，其余为直幅。分别以太一神、轪侯妻、祭祀者、合欢鳌为各段的中心。天界有扶桑树、九个太阳、嫦娥、新月，以及象征长寿的蟾蜍、白兔，日月同辉，令人神往，天门有司命守卫。中间为软侯妻缓行升天，吏前婢后，迎护隆重。人间双龙穿壁，象征幸福吉祥；家属聚集祭祀，祈求死者灵魂早归仙境。最底部合欢鰲背上大力神，双手托着大地，孔武有力。该画画天上以示死者的终身归宿，画人间以示死者生前的荣华富贵，画地下以示阴间的幸福。全图内容丰富，想象瑰丽。整个画面布局对称，线条流畅，描绘精细，色彩绚丽，显示了西汉高超的艺术水平。整幅帛画的内容，既有中国的神话传说、也有当时现实主义的写照。长沙马王堆汉墓帛画是中国西汉初期绘画风格的主要体现，反映了汉代艺术的成就。
马王堆西汉墓发掘是20世纪惊动世界的重大考古发现，填补了中国考古学上的许多空白。