重大考古发现始见于二里头文化晚期的1号、2号宫殿基址，这是学术界确认的中国最早的大型宫殿基址。自二十世纪90年代以来，二里头遗址的发掘面积进一步扩大，成果层出不穷。2004年，考古人员在2号宫殿基址下面发掘出了一座时代更早、规模更大、结构更为复杂的大型建筑基址，将迄今为止可确认的中国宫城的最早年代提前了约百年。中国社会科学院考古研究所二里头工作队队长许宏介绍，这座现编为3号的建筑基址属于二里头文化早期，其结构复杂，规模庞大。宫城面积逾10万平方米，就对历史资料的认识而言，它是中国古代最早的具有明确规划的都邑，其布局开创了中国古代都城营建制度的先河。后世中国古代都邑营建制度的许多方面，都可追溯至二里头遗址，如纵横交错的道路网、方正规矩的宫城、宫城内多组具有中轴线规划的建筑群、建筑群中多进院落的布局、坐北朝南的建筑方向以及土木建筑技术的若干侧面等。此外，在宫殿区大路发现的车辙痕，是迄今所知中国最早的车辙遗迹，将中国双轮车的出现时间上推至二里头文化早期。贵族墓出土的大型绿松石龙形器，全长逾70厘米，由2000余片形状各异的细小绿松石片粘嵌而成，其用工之巨、制作之精、体量之大，在中国早期龙形象文物中都是十分罕见的，具有极高的价值。此次发现被评为2004年度“全国十大考古新发现”之一。
二里头遗址的发现和发掘具有十分重要的意义，在国内外具有重大影响。中国是地球上为数不多的有独立起源的文明古国，是四大文明古国历史唯一没有间断过的国家。但中国古代文献中，有确切历史记载，可以依靠的绝对年代只到公元前841年周厉王时。一些西方学者和疑古派一度怀疑夏朝的存在，怀疑禹是神话传说中的动物（一条肉虫），甚至主张东周以前无信史，把中国的历史一下子缩短了一半，却有些让人不能接受。为此，国家在“九五”期间，把夏商周断代工程列入重大科研项目，重点任务是要理清夏商分界与夏代的历史脉络。自二里头遗址发现后，学者们为此争论了四十年，经“夏商周断代工程”多学科的交叉研究，新的考古发现与史书的相互印证，专家们认定，夏文化持续时间大约在公元前二十一世纪至公元前十六世纪，后来被商朝取而代之。这意味着几乎可以从二里头遗址摸索到中华文明的起源了，明确写出了孔子和司马迁没有搜寻到的中华“家谱”。
关于二里头遗址与夏文化之间的关系有两种意见。一是二里头一期至四期均为夏文化，四期的部分时期或者全部为夏遗民遗迹；另一种意见认为遗址的第一、二期是夏文化遗址，第三、四期是商汤都城的遗址。测年结果一般认为第一、二期是夏文化遗址，第三、四期是商汤都城的说法是受夏商周断代工程年表的影响，因为根据2005年、2006年中国考古学院利用系统测定法，将二里头遗址的碳14测年限制在前1750年～前1500年（绝大部分测定的时间落在了前1730年～前1720年之间），这样第三期的上限就是前1600年，四期就是前1560～1520年，但是由于二里头的一期起步，二期发展，三期繁荣，四期衰落，一到四期连贯发展，中间没有断层，所以二三期作为夏商分界念斗点不合适，很显然夏商分界点在四期。这样结合《古本竹书纪年》商朝共29王496年（两汉都不止12帝，但是史书上都是用前汉十二帝、后汉十二帝来介绍两汉皇帝，对于商朝少了一王，可能是传抄的失误，也可能是有一王不被承认）从前1046年商周分界上推496年到前1542年，正好落在了四期中间，非常符合二里头遗址考古的遗址，所以二里头意义非凡，既可以找到夏朝自太康到夏桀共12世15后的夏邑遗址，也可以从中找到夏商分界的合理年代。
中国社会科学院考古研究所研究员许宏表示：“二里头是‘最早的中国’——东亚大陆最早的广域王权国家，这本身已经非常有意义，其重要性不在于它是否为夏都。在整个东亚大陆从没有中心、没有核心文化过渡到出现一个高度发达的核心文化，二里头正好处于这一节点上。二里头的价值不在于最早也不在于最大，而是在这个从多元到一体的历史转折点上。这里发现了中国最早的宫城——最早的‘紫禁城’、中国最早的‘井’字形大道即城市主干道网、中国最早的中轴线布局的宫室建筑群、中国最早的车辙、中国最早的官营手工作坊区、中国最早的铸铜作坊和绿松石器制造作坊、中国最早的青铜礼器群等。从考古学本位看，这些已足够了，暂时不知道二里头‘姓夏’还是‘姓商’，并不妨碍我们对二里头遗址在中国文明史上所具有的历史地位和意义的认识。”
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