Một cuộc khảo sát khảo cổ bao gồm nhiều giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn cần đến nhiều phương pháp. Trước khi cuộc khảo sát bắt đầu, di tích cần được làm rõ và được sự nhất trí giữa các nhà khảo cổ. Sau đó, họ tiến hành thăm dò thực địa để tìm kiếm vị trí xác thực nhất của di tích. Di tích được khai quật và thu thập tất cả những hiện vật phát hiện được. Thông tin từ cuộc khai quật được phân tích, nghiên cứu và đánh giá để đạt được mục đích nghiên cứu ban đầu. Sau đó, kết quả khảo cổ được coi là có thể công khai và trở thành nguồn tư liệu cho sử gia và các nhà khảo cổ khác, nhưng nó vẫn bị bác bỏ trong một số trường hợp.[35]

Quan sát từ xa

Trước khi tiến hành khai quật, di tích được tìm kiếm bằng kĩ thuật ảnh vệ tinh trên một vùng rộng lớn.[36]

Thăm dò thực địa

Dự án được tiếp tục (hay bắt đầu) bằng cuộc thăm dò thực địa. Thăm dò khu vực là xác định vị trí di chỉ trên một vùng, trong khi thăm dò di chỉ là xác định những di vật có trong một di chỉ, ví dụ: nhà cửa hay hầm mộ. Hai kiểu thăm dò này sử dụng rộng rãi những phương pháp giống nhau.

Thời gian đầu, các nhà khảo cổ vẫn chưa ứng dụng rộng rãi thăm dò thực địa. Họ xác định di chỉ nhờ dân địa phương và chỉ khai quật khi có thể nhìn thấy tận mắt. Gordon Willey, người đi tiên phong, đã tiến hành thăm dò toàn bộ khu vực thay vì khảo sát từng di chỉ trong cuộc khảo sát thung lũng Viru, Peru năm 1949.[37][38] Từ đó, thăm dò thực địa ngày càng tiến bộ cùng với sự ra đời của lý thuyết khảo cổ mới vài năm sau đó.[39]

Thăm dò có nhiều lợi ích khi nó được tiến hành như một cuộc tập dượt trước khai quật. Thời gian ngắn, chi phí thấp do không phải đào một khối lượng khổng lồ đất đá để tìm hiện vật (tuy nhiên các nhà khảo cổ dùng phương pháp lấy mẫu để tìm kiếm trong một khu vực rộng lớn, khi thăm dò trở nên đắt đỏ).[40] Ngoài ra, thăm dò còn ngăn ngừa sự tàn phá của con người đối với di chỉ và là cách duy nhất để thu thập một vài dạng thông tin như điểm dân cư. Thông tin thăm dò thường được ghi lại dưới dạng bản đồ, nhờ đó nhà khảo cổ có thể dễ dàng xác định các vị trí cần thiết.

Phương pháp thăm dò đơn giản nhất là thăm dò bề mặt, được thực hiện bằng cách lùng tìm những di chỉ, hiện vật có thể quan sát bằng mắt thường trên mặt đất. Nhà khảo cổ thường đi bộ hay sử dụng một số phương tiện giao thông và dùng những công cụ khai quật đơn giản như khoan, xẻng khai quật và dụng cụ lấy lõi. Nếu không phát hiện được vật gì, vùng thăm dò bị coi là trống rỗng.

Thăm dò từ trên không được thực hiện bằng cách gắn camera trên các phương tiện bay như máy bay, khinh khí cầu hay diều.[41] Phương pháp này giúp xác định được hiện vật ẩn dưới lòng đất, nhờ tính chất của thực vật khi mọc trên các loại đất khác nhau. Kĩ thuật thăm dò từ trên không còn bao gồm sử dụng tia cực tím, tia hồng ngoại, LIDAR, cảm ứng nhiệt.[42]

Thăm dò địa vật lý là phương pháp tốt nhất để dò tìm những vật dưới lòng đất, bằng việc sử dụng một số phương pháp như radar quét (GPR), từ trường, điện từ cảm ứng,... có thể thấy được sự khác biệt giữa hiện vật với đất và các hiện vật khác nhau. Đo radar quét 3D có thể dựng lại hình ảnh khu vực bị chôn vùi do bùn hay tro núi lửa.

Trong khảo cổ dưới mặt nước, một số công cụ dùng để thăm dò là: từ kế hải dương, sonar quét sườn, sonar quét đáy.[43]

Khai quật

Khai quật được bắt đầu khi di chỉ vẫn chưa được đi sâu và phần lớn thông tin còn nằm dưới lòng đất, điều này thường thấy ở đa số dự án khảo cổ. Khai quật đem lại những thứ mà thăm dò không thể phát hiện như địa tầng, cấu trúc không gian và đơn vị địa tầng được thẩm định trước.

Kĩ thuật khảo cổ hiện đại yêu cầu nguồn gốc của di tích và các vật thể liên quan phải được ghi nhận. Các nhà khảo cổ xác định vị trí cụ thể trong không gian của từng hiện vật trong di tích, tìm mối liên hệ và tổ chức giữa chúng để tiếp tục phân tích. Nhờ đó, họ xác định được chính xác thông tin cần tìm hiểu về di tích. Ví dụ: Vật thể có niên đại nhỏ hơn thường nằm phía trên vật thể có niên đại lớn.

Khai quật là công đoạn tốn nhiều chi phí nhất trong dự án. Khai quật mang tính phá hủy và đi kèm một số tác động tiêu cực của con người. Vì thế rất ít di tích được khám phá toàn bộ. Hiệu suất khai quật phổ biến trong khoảng 90%, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, xã hội và phương pháp làm việc. Máy xúc được sử dụng rộng rãi để đào tầng đất mặt, tuy nó được cảnh báo về sự nguy hiểm đối với di tích. Sau khi đào xong tầng mặt, khu đất mới phát lộ được làm sạch bằng phương pháp thủ công như dùng bay hay cuốc để đảm bảo tất cả vật thể cần tìm kiếm đều xuất hiện.

Nhiệm vụ tiếp theo là thiết lập bản vẽ của di tích để quyết định phương pháp cho công đoạn khai quật sau. Người ta đào bới thủ công tầng đất tự nhiên để tạo ra khung cảnh thích hợp cho việc ghi nhận thông tin, thường là hố hay hào. Những khung cảnh này gồm 2 phần cắt và lấp. Cắt là đường bao của khung cảnh còn lấp là cái bao phủ nó trước khi khai quật, hơi khác với đất tự nhiên. Chúng cùng với hiện vật được thu thập được đo đạc, vẽ, chụp ảnh và ghi chú cẩn thận. Thông tin này được coi như chứng cứ vĩnh viễn để nghiên cứu di tích.

Sau khai quật

Di tích cùng với những thứ liên quan cần được nghiên cứu chính xác ngay sau khi khai quật để thu thập nhiều thông tin nhất có thể. Công đoạn này gọi là phân tích sau khai quật, tốn nhiều thời gian nhất trong toàn dự án. Những di tích lớn cần hàng năm liền để hoàn tất kết quả nghiên cứu.

Cách phân tích giản đơn nhất là làm sạch, lập danh mục, so sánh với kết quả nghiên cứu trước đó, phân loại và tìm kiếm di tích có cùng hiện vật. Những phương pháp phức tạp hơn được khảo cổ khoa học nghiên cứu. Nhờ đó, ta có thể biết mọi thứ liên quan đến những mẩu xương, lá cây hay phấn hoa bị chôn vùi từ hàng ngàn năm trước (cùng với công cụ của Cổ động vật học, Cổ dân tộc thực vật học và Phấn hoa học) hay giải nghĩa các văn tự cổ đại.

Điện tử và tự động hóa

Khoảng năm 1995, các nhà khảo cổ bắt đầu sử dụng đồ họa máy tính để thiết lập mô hình 3D của di tích, ví dụ như phòng ngai của cung điện La Mã cổ đại,[44] bằng cách sưu tập hình ảnh kết hợp với công nghệ đồ họa.[44] Thậm chí, họ còn thiết lập được điều kiện sống và môi trường xung quanh thời đó[44] hay cách các loài cây cổ đại mọc,[44] sự liên hệ đối với các hiện tượng thiên văn như nhật thực.[44]

Máy bay không người lái đang dần thay thế máy bay, khinh khí cầu và diều trong việc thăm dò. Nó có giá khoảng 650 bảng nhưng bay cao từ 3000-4000m và có thể thiết lập mô hình 3D thay vì bản đồ phẳng, việc đó tiết kiệm rất nhiều thời gian so với trước đây - vài ngày, vài tuần thay vì hàng tháng hoặc hàng năm[45]. Trong năm 2013, máy bay không người lái đã bay trên ít nhất 6 điểm khảo cổ tại Peru, trong đó có thị trấn thời thuộc địa Machu Llacta cao 4000m trên mực nước biển. Máy bay không người lái góp phần giải quyết vấn đề độ cao trên dãy Andes.[45] Tháng 9 năm 2014, máy bay không người lái được dùng để thiết lập mô hình 3D của phế tích thành phố Hi Lạp cổ đại Aphrodisias. Dữ liệu được phân tích tại Học viện khảo cổ Áo, Vienna.[46]