1939年，梁思永主要根據城子崖的挖掘成果，撰寫了《龍山文化——中國文明的史前期之一》一文。他將龍山文化分成三個區域，即山東沿海區、豫北區和杭州灣區，認為以上三個區在文化譜係上屬於不同的考古學文化。到五六十年代，學術界通過更多的發掘，把梁思永所說的三個區正式命名為良渚文化、典型龍山文化、河南龍山文化（又稱“後岡二期文化”）。梁思永撰文之時，中國的現代考古事業才剛剛起步，發現的文化遺址非常之少，能提出龍山文化的分期論斷，用專家們的話說，實屬“科學的預見”。
河南安陽殷墟，是中國現代考古學的一個重要站點。中國年輕的考古隊伍采用近代考古學技術，獨立自主進行了首次大規模挖掘。第一次挖掘始於1928年10月，在梁思永學成歸國之時，挖掘已經進行了三次，之後又進行了12次挖掘，梁思永從第四次開始，共參加了六次挖掘。
梁思永並不是中國最先從事現代考古的學者，卻是經受現代考古學正規訓練的第一人，在殷墟的考古挖掘中，他的加入顯示出了重要價值。前三次殷墟挖掘，目的多限於尋找甲骨文和其他遺物，幾乎與民間所說的“挖寶”無異；而真正的考古學，關注點遠遠超出發掘出來的文物，它應當是以研究和發現古代社會的方方麵麵為目的。
對於梁思永所發揮的作用，當年參加安陽考古的夏鼐先生說：“梁先生確是野外考古工作的頭等人才，不僅工作技術是頭等，更重要的是那種負責的精神，能照顧到全局，同時又不遺漏細節，小屯殷墟發掘工作的頭幾年，參加的人都沒有受過正式的田野考古訓練，大家都在暗中摸索，想由嚐試和錯誤中獲取經驗和教訓，梁先生參加工作後，才加以整頓，麵目一新，他費了大力來改進田野考古技術，擬訂各種記錄表格，組織室內整理工作，訓練年輕人員，使一切都漸入正軌。”因此，有梁思永參加的安陽殷墟的第四次挖掘，由於他對考古科學規範的倡導，被視為中國考古學的一個重要轉折點，從此由草創轉入正軌。
1934年秋季，他又一次開始了野外工作。年僅30歲的梁思永擔任負責人，主持第10—12次的殷墟發掘工作。史語所對侯家莊西北崗一帶的殷王室陵墓區進行的這三次大規模挖掘，被考古界視為“規模宏大，采用了新技術”的殷墟科學挖掘的第二階段。其中尤以1935年春的第11次挖掘被視為當年殷墟考古工作的“高潮”。
那些墓葬雖經過盜掘破壞，但收獲仍然豐富，不僅有“隱蔽的角落裏發掘出的以前盜墓者沒注意的遺物”，“特別珍貴的是那些易腐爛的竹、木纖維等留下的精細痕跡”，非經過嚴格的科學訓練，是無法做出這樣的發現的。
侯家莊西北岡的三次發掘工作一共發現了大墓十座，小墓千餘座。發掘規模的宏大，田野工作的精細以及考古收獲的豐富，在國內是空前的。正當梁思永準備靜心審視這些不尋常的發現，以便製訂下一步的發掘計劃時，由於1937年日本的侵略而中斷了，開始了長達8年的流亡歲月。
在流亡歲月裏，梁思永遭受了疾病的巨大折磨，但他從不輕易放下手中的工作。抗戰爆發後，史語所考古組一路遷移，從長沙到桂林，又輾轉越南到昆明，最後來到四川西部長江南岸的小鎮李莊。此時，梁思永已經與李濟、董作賓一道成為考古組的三個核心人物之一。
由於長期的野外工作，生活沒有規律，梁思永的身體留下很多“欠債”。到了李莊之後，他隻沉浸在工作中，不料又一次遭遇了病魔。1941年2月，他先是患上重感冒，接著是氣管炎持續不見好，後來突然轉為肺結核，當時的醫生稱之為“奔馬癆”，幾次下了病危通知。幸運的是，他挺了過去，在病床上接著工作。
梁思永當時著手撰寫侯家莊西北岡的發掘報告，他本想“一氣嗬成”，可惜嚴重的肺病延緩了他的工作。但他仍留下了重要的精神財富，李濟後來說：“這位天才考古學家關於侯家莊王陵的報告手稿是保存在考古組的珍品之一。”令人遺憾的是，這些手稿被運到了台灣。
新中國成立後，中國的考古事業麵臨著大發展的曆史機遇，臥床休養的梁思永欣喜地迎接著這一時刻的到來。1950年8月，他被任命為中國科學院考古研究所副所長，所長鄭振鐸還擔任國家文物局局長一職，所以考古所的工作擔子主要壓在梁思永身上。他製定長遠規劃，指導野外工作和室內研究，熱心培養青年考古工作者，度過了生命中最後的幾年。