梁思永利用在美國的所學，對山西西陰村發現的一萬多個陶片進行了詳細分類。這批陶片沒有一件是可以完整複原的器物，他通過與國內外的新石器時代的遺址進行對比研究，從而肯定了西陰村與仰韶村是同時代的遺存。他還敏銳地注意到，仰韶村有個別器形，西陰村卻沒有，並提出了自己的質疑。
1928年8月，梁思永赴美繼續深造。正是基於回國一年間的經曆，他完成了《山西西陰村史前遺址新石器時代的陶器》的碩士論文，這是中國考古學者完成的“最早的一本專題研究著作”。他在研究中使用了類型學的研究方法，對後來的考古研究具有示範意義。
田野是考古學者的工作天地，從事考古工作首先需要的是身體力行。1930年回國後，梁思永加入了中央研究院曆史語言研究所（下簡稱“史語所”）。當年9月，便赴黑龍江發掘昂昂溪遺址，然後轉道通遼，進入熱河作田野考古調查，在38天裏步行路程逾1000公裏，調查了五處新石器時代遺址，采集了大量文物標本。
1930年，梁思永富有創造性地把地層學應用於昂昂溪遺址發掘工作中。這是我國田野考古工作的首次科學發掘。事先，梁思永對東北、蒙古帶的史前考古已有清楚的認識。到達之後，他調查分析了這裏的地理人文環境。他考察的4個沙岡，挖掘的8個坑都經過了選擇，其大小、深度、土層、出土遺物等都有詳細記錄。這次發掘為中國田野考古工作積累了豐富而寶貴的經驗，奠定了田野考古的基礎。
此後的6年間，梁思永投入了大量時間和精力用於田野調查和挖掘工作，共參加田野發掘7次。1931年1月，梁思永與表妹李福曼在北京結婚。結婚3個多月後，他便告別了新婚妻子，奔赴野外，當年春天他參加了河南安陽小屯的發掘工作，秋季便轉到山東參加城子崖的第二次發掘工作。接著，他又回到安陽小屯，繼續挖掘。
梁思永的加入，不僅帶來了標準的考古操作規範，還提出了新的觀點。1931年之前，中國境內不管是瑞典人還是中國人進行的考古挖掘，發掘遺址都采用按照深度來劃分地層的方法，而實際上這是很機械也是很不科學的。
1931年，梁思永創造性地提出了科學的地層劃分方法：以土質土色及包含物的不同來劃分地層，為科學而準確地認識古代文化遺存打下了基礎。山東省文物考古研究所的靳桂雲認為，“這不能不說是梁先生為中國現代考古學做出的一個極大的貢獻”。靳說：“這一貢獻，不僅表明中國田野考古工作的巨大進步，也說明當時，中國的田野工作者的發掘水平已高於在中國從事考古工作的某些外國同行們。”
山東城子崖遺址於1930年進行第一次挖掘，1931年的第二次挖掘便由年輕的梁思永主持。田野發掘報告作為考古發掘成果，本來應當是考古者的重要工作內容，但在城子崖之前，由於國內的考古者缺少此項專業訓練，所以隻有挖掘沒有考古報告。1934年，由梁思永主要編纂的發掘報告《城子崖》出版了，這成為第一部由中國的考古機構組織挖掘並由中國的考古者自己編寫的田野發掘報告。梁思永當年在《城子崖》報告裏創造的田野發掘報告的基本體例，至今仍在沿用。
山東考古研究所的王恩田先生認為：“《城子崖》一書不僅是考古報告，而且是第一本田野考古技術教程，由此而培養了一代又一代的考古學專家，當時所確立的整套考古發掘方法和原則，至今仍被考古學界所遵奉。可以毫不誇張地說，梁思永先生是現代中國考古學的真正奠基人，是中國考古學之父。”