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1957年发现后，中国科学院砖山东队和山东省、市、县文物管理部门曾进行多次调查。
1982年春山东省考古研究所进行过小规模试掘。
1984年春至1985年底国家文物局在此遗址举办了3期“全国田野考古领队培训班”，共开探方138个，揭露面积3250平方米，出土文物1400余件。
该遗址南有大面积沙滩及高低起伏的沙丘，不能种田，说明古代在这儿有一条大河，据水利部门考察系大汶河故道。遗址北是一片黑土涝洼地，即吴寺大洼，古代当为水草沼泽之地，我们的祖先就在这里繁衍生息：在高地种植作物，在沼泽草地放牧采集，在河里捕捞鱼虾。
西吴寺遗址内含丰富，计有龙山文化、岳石文化和商周文化遗物。现根据历年调查及近两年的发掘介绍如下：
遗址下层为龙山文化层，其重点分布在该遗址的西南部和东南部边沿地带。据出土物考证，东部偏晚，西部较早，分别代表着龙山文化的早期和晚期阶段。龙山文化是一九二八年考古学界在山东的章丘县龙山镇发现此种文物而得名，距今约四千三百多年。遗址该文化层出土器硪多为磨光黑陶，间有灰陶、红陶、白陶和白衣陶，多系素面，带有明显快轮加工的旋转痕迹。快轮是制陶发展的一个飞跃，直到现在民间窑厂还广泛使用。出土器物有鼎、鬶、献、豆、圈足盆等。鼎是烧饭的器具，器形大、火候高、制作精细，多具有子母口和鼎盖儿；鼎足呈鸟首状，刻有鸟的鼻、眼纹饰，美观而坚固。鬶是烧水的炊具，出土较多，陶质薄而坚硬，多带有白陶衣，给人一种清洁的感觉，多深腹、袋足，有流口，腹、足相通，具有容水多，沸水快的功能。献分两层，上层是甑，下层是鬲，中间隔有篦孔，可以蒸煮食物。有一种陶杯极其精美，漆黑发亮，薄如蛋壳，工艺极其复杂，直到现在还很难仿制。
遗址出土了许多蚌镰、石镰，说明农业发展了，再用原始的手工采摘已跟不上生产的需要。出土的石铲也有了较大的改进，磨制精薄，可用于点种和除草。个别石铲是用精美的高级玉石做的，已失去实用价值，当是部落酋长的装饰品。还有用石和骨磨制的箭头，石、陶质的网坠等，说明渔猎活动仍是当时生活的重要部份。出土的大量兽骨证明，当时畜牧业也非常发达，主要圈养猎、狗、牛、羊等。
遗址发掘出许多柱孔和房址，房址多为半地穴式，有圆形的，有长方形的，大小不一。有的房基有人工捶打和草泥涂抹遗痕。有的地面铺一层白灰，中间有火塘。小房非常简陋，可能是穷苦人住的。大型的房屋构造讲究，可能为公用或酋长、巫师等所有。这说明当时贫富已有分化，开始有了剥削和压迫，已进入男系氏族原始社会未期阶段。
遗址中层为岳石文化，距今约三千八百年。岳石文化是根据一九六二年社会科学院考古研究所山东队在平度县岳石村发掘的文物而定名。出土的器物有尊、簋、豆、献、舟形盆等。尊为泥质黑皮陶，胎厚重，腹部有两道突楞及玄纹。簋略近尊，有盖儿，盖儿顶有蘑菇状把纽，中饰二道玄纹，有的还绘有彩色图案。豆是泥质灰陶敞口浅盘，柄粗，喇叭形圈足，绘有三道玄纹。献是炊具，多为夹沙红褐掏，在上部罐和下部鬲的衔接处有泥条一周，起到加固的作用，泥条上多刻印各种图案花纹。
生产工具主要有石斧、石锛、石刀、磨盘、磨棒等。其中半月形石刀，单面有刃，是收割谷物的锐利工具，比早期石镰省力而速度快。双孔石刀可系绳套在手上。长方形大孔石锄是一种多用工具，能锄地、掘地、平地、开沟整渠，是现代钁的前身。
岳石文化的发现，曾引起中外学者极大的兴趣。它上承龙山文化，下接商、周青铜文化，时代约当我国的夏代，掘出的文物是研究我国奴隶制社会初期及青铜制造业和甲骨文字的重要资料依据。同时，该文化遗址在全国发现比较少，具有堆积层薄、器物单调、陶器粗笨等特点，情况较为反常。原因众说纷纭，有待进一步研究。
据文献记载，大禹建立了夏朝，传到相时，被手下的大臣寒浞和过浇杀死，政权被篡夺。相后怀着孕，从墙洞逃出，跑到娘家即今济宁以北的有仍氏部落，生下了少康。少康长大，联络了周围部落，把寒浞、过浇打败，恢复了夏朝，史家谓之“少康中兴”。西吴寺正处于济宁以北，该遗址的岳石文化层所代表的历史时期和夏代正相当。至于此处是否属于有仍氏部落范围，现在还不能肯定，但这个遗址和中原的夏文化有着较密切的关系，是可以断言的。
遗址上层为商周文化，分布面积较大。当地群众整地时曾在西南角发现一片商周墓葬，从一排排墓穴中出土了一些陪葬的陶器、骨器及少量的铜器和石器。陶器主要有鼎、鬲、豆、罐、簋等，多为灰陶，饰有绳纹；黑陶几乎没有。一九八四年国家文物局进行了发掘，在西南角挖出了一处商代人祭神的遗迹：一个高土台，当为供奉社神的地方，台南数匹完整的牛马尸骨，头向北成排地躺着，是祭神的牺牲。一条长十多米的地下隧道，高、宽都在一米左右，经学者研究，可能是囚禁战俘的地牢。在商代统治者是把战俘当作自己奴隶的。奴隶和牛马一样被看做奴隶主的私有财产，可以随便买卖。文献记载，当时一束丝可换五个奴隶加一匹马。奴隶还和牛马一样可以随便杀掉来祭神、祭祖，祈祷风调雨顺、五谷丰登。群众还挖出来一些带小洞的牛肩胛骨，这是商代人占卜用的卜骨。商代人非常迷信，大小事都要占卜，预测吉凶。其方法是先把牛胛骨或龟甲钻出许多小洞，再烧灼，便背面出现裂纹。根据裂纹的粗细长短、扭斜曲直，制成符号，记得在甲骨上，这就是后代所谓的甲骨文。还出土过铜戈、铜戟、铜箭镞等兵器，说明那时战争是很频繁的。
历史记载，商民族是一个经常迁徒的民族，曾有“八迁”之说。在迁河南“殷墟”以前，其根据地就在泰山以南的今兖州、曲阜、滕县一带。《诗经·商颂》有“天命玄鸟，降而生商”的句子，说明商是以鸟为图腾信仰的。玄是黑色，遗址出土的许多陶器上多带有黑色鸟的图形，这现象正和文献记载符合。
周代文化遗物出土较多，有代表性的主要是连档鬲、细腰簋、束腰豆、兽足鼎等，粗绳纹饰，多系葬品，放置的规律，其次序常为鬲、罐、豆、簋，或鬲、盆、豆，或鬲、盆、罐。奴隶主贵族多用青铜器，一般人用陶器。
周代初期的生产工具还是以石器和骨器为主。大量石铲、石斧的出现，证明那时已进入农业大发展的时期。这从《诗经》上也有反映。《周颂·噫嘻》说：“骏发尔私，终三十里。亦服而耕，十千维耦。”描述了西周农业的规模宏大，情景壮观。
西吴寺出土的文物多带有地方特点，如陶鬲口沿带流或宽边，陶簋敞口、细腰、喇叭形圈足、既象豆又象簋，等等。这些特点在中原地区少。许多器物形状既有中原特点，又有东夷特点，这说明商、周以来东西经济文化交流已日益频繁，奠定了以后逐渐形成统一的伟大中华民族的基础。
西吴寺遗址的发掘仅仅是个开端。现发掘面积只占极小部分，对了解其全貌还相距很远。许多问题还有待今后进一步的发掘和研究。