12月2日，在開挖地點的北部，發現了一個很深的小洞，鑽進去一看，哇，裏麵化石很多。裴文中很高興，拿起繩子係在腰上，讓工人們攥著，也下洞去看。看完又讓工人把他拉上去。他一邊上洞，一邊用手電筒照看著洞壁。突然，一個圓圓的，黑黑的東西引起了他的注意。此時已是下午4點多鍾，天色漸黑，寒風搖曳著洞邊的枯草，洞中傳出一陣陣低悶的錘鎬聲，相比之下，洞口顯得十分安靜。裴文中叫工人把洞口扒得大一些，探下身子仔細一瞧：“那是什麼？是人頭！”一聲驚呼脫口而出，清清楚楚地傳入在場的每一個人的耳朵裏。立即有許多顆腦袋聚攏起來朝下觀望，果然是人頭！一個“北京人”的很完整的頭骨——大家盼望已久的東西終於露麵了。每個人的臉上都掛滿了抑製不住的激動神色。“北京人”的頭骨隻露出了一半，還有一半埋在堅硬的沙土之中。馬上把它挖出來，還是等到明天再挖？天色已晚，馬上挖會不會損壞頭骨？不挖，還要等10幾個小時，會不會“夜長夢多”？裴文中的腦於飛快地轉著，決定著如何辦才好。挖！他抑製不住喜悅的煎熬，決定連夜把頭蓋骨挖出來。本來洞內挖掘，點汽燈照明，但是那個洞實在太小了，工人們隻好點上蠟燭小心地用鎬刨。四周的土慢慢地掏空了，可頭蓋骨還是不下來。裴文中隻好拿起撬棒，準備把它撬下來。鐵撬一使勁，頭骨的一部分被震裂了。裴文中好不懊悔。還好，頭骨隻破了一點點，過後一粘接仍然是一個完整的頭骨，一點兒也不影響研究。裴文中從裂縫中窺見“北京人”頭骨的厚度——比現代人的頭骨可要厚多了。
頭骨被帶回駐地後，裴文中仍然沉浸在喜悅之中“晚上我沒有吃好飯，因為太高興了。”他馬上給北京寫信，並派專人去寄信。後又擔心信太慢，就又打了個電報過去。但是在北京的人卻不太相信這是真的，甚至還有人說，裴文中不認識“人”！事後，裴文中感到好笑，天大的喜訊突然而至，有時反而使人懷疑其真實性來了。北京方麵命令立即將頭骨送回。剛挖出的頭骨很潮濕，一碰就碎，必須馬上處理才行。裴文中帶領工人連夜生火烘烤，幹了以後糊上幾層厚厚的棉紙，再抹上石膏，糊上麻袋片，重新再烘，直到石膏幹硬。忙了整整一夜。12月6日，裴文中用兩床棉胎包好頭骨，外麵再裹上毯子，用繩子捆牢，這才帶著它坐上開往北京的長途汽車，順順當當地把頭骨送到了研究室。
頭骨直接送到步達生的手裏，由步親自修複。12月8日，中國地質學會舉行特別會議，邀請有關專家學者和新聞界的朋友參加，宣布裴文中的重大發現。不多久，消息傳遍世界，全世界的史前學家、古人類學家以及對人類進化感興趣的人的目光一下子集中到了周口店。“北京人”頭蓋骨的發現，證實了“爪哇人”的存在，使關於猿和現代人之間存在著過渡類型的觀點得到了證實。“北京人”頭骨的發現也證明了中國是人類的故鄉之一。
1930年以後，發掘“北京人”的工作開始向另一個高峰攀登。裴文中教授後來回顧說：“在1927年以前，龍骨山的挖掘工作，是古生物學的，即目的在於挖掘動物骨骼的化石。1927年至1930年的工作是人類學的，即目的在於挖掘人類的化石。1930年的工作，除了發現人類化石外，最重要的是發現了石器，發現了北京人用火的痕跡。從此而後，龍骨山上的工作就成了考古學的範疇。”
最早把龍骨山上的脈石英碎片理解為“北京人”的工具的人是安特生。但這僅僅是一個猜想，並未得到證實，也未被後繼的發掘、研究者所重視。裴文中在發現頭蓋骨的山洞裏發現了一塊具有打擊痕跡的石英塊，後來又從其他地方也發現了很多類似的石塊。他把這些石塊收集起來加以研究，認為它們是“北京人”使用的工具。這個結論開始也不為人們聽信，1931年法國史前考人學權威布日耶教授訪華，證實了裴文中的結論。這一年，在“北京人”遺址發現了兩處含有豐富石英的地層。這時，龍骨山上又來了一位年輕人，他就是後來成為著名教授的賈蘭坡先生。賈蘭坡對北京人的研究就是從發掘石器開始的。現在人們已經從“北京人”的老家挖出了數以萬計的石器，數量之多是世界上任何一個人類化石地所沒有的。在“北京人”製造的石器中，以石片石器為主，石核石器不多。其中有“砍斫器”（用來砍伐木材等）、“刮削器”（用來切割獸肉等）、“尖狀器”（用來剝割獸皮等）。
“北京人”用火的痕跡，人們其實也早已看到了——那種鬆軟的黑色物質。但是誰也沒有真正將它與“北京人”的用火連在一起。直到1930年才有人把它送去化驗，結果這種黑色物質被證實為“炭”。現在，人們不僅發現了北京人使用過的灰燼、炭塊，還發現了被燒過的骨頭和石塊。“北京人”遺存的灰燼都是成堆的，這證明“北京人”已有了不使火向外蔓延的管理火的能力。
工具和火的使用這兩個事實，雄辯地證明“北京人”不是猿類，而是已經形成的人。