Simone30年代初是梁思永学术事业的巅峰时期。现代考古学注重田野发掘，有的人称“锄头考古学”。1930年，梁思永回国后即受聘于史语所考古组，随即投入于繁忙的田野考古工作。
发掘昂昂溪遗址
梁思永首次田野考古是调查发掘黑龙江的昂昂溪史前遗址。1930年8月他得知中东铁路俄籍雇员路卡徐金在昂昂溪附近发现了一处新石器时代遗址，于9月19日从北平出发，与助手王文林一起前往调查发掘昂昂溪遗址。此前，日本学者对东北进行过考古活动，但限于辽东半岛及松花江以南地区。梁思永此行是考古学者首次进入黑龙江地区。昂昂溪位于东北平原北部的中心。他们挖掘的沙冈离江边七八公里，离昂昂溪火车站约六公里。这里水草丰富，土层潮湿，未曾开垦耕种。他们一共挖掘了4个沙冈，在黑沙层发掘到陶片约200块，在第三沙冈挖掘到一座墓葬，获骨器10多件，从地面采集石器100多件，陶器一个，加上路卡徐金先前采集的石器、骨器、陶片等700多件，昂昂溪共出土标本1000多件。1930年10月初，梁思永一行由于天气渐冷踏上归途。后经细致研究，撰写了5万字的论文《昂昂溪史前遗址》。
回来途中，梁思永发掘热情不减，到热河进行调查，在热河境内行程500公里，于11月27日回到北平。此行目的是试图在广泛调查之后，在热河境内进行大规模的考古发掘。但“9.18”事变日寇侵占东三省，这个地区的考古工作只好中断。
发掘殷墟
1931年，梁思永与史语所同仁李济、董作宾、吴金鼎、刘耀等进行河南安阳殷墟发掘。这是史语组的第四次殷墟发掘。梁思永在殷墟发现了一片甲骨，这是首次在小屯以外发现甲骨。更为重要的是，梁思永从后冈的发掘中找到了龙山文化与仰韶文化具体的层位关系，进而确认了龙山文化早于小屯文化而晚于仰韶文化，肯定了位于黄河中下游这三种文化的时代顺序。写下《小屯、龙山与仰韶》、《后冈发掘小记》。
这年11月7日至12月19日，梁思永参加了李济主持的第五次殷墟发掘。他们在小屯村中及村北地掘得有字甲骨381片，发现殷人居住的圆穴洞和储藏食物的地窖，甲骨文字散见其中。证明“甲骨原在地显系堆积而非漂移”，从而纠正了第一至第三次发掘所假定的“殷墟为洪水湮没说”。
经历了李济主持的两次殷墟发掘之后，梁思永成为殷墟考古的领头雁，先后主持第十、十一、十二、十四次殷墟发掘。此前安阳殷墟发掘主要在小屯村及后冈，1934年第九次发掘时得知安阳候家庄亦有甲骨，挖掘工作的重点转移到候家庄。1934年初至12月底第十次发掘在候家庄西北冈挖掘茄陪大小墓葬36座。1934年3月15日至6月15日，第十一次发掘在候家庄西北冈挖掘大小墓葬400多座，获得不少殉葬品。1935年9月5日至12月16日，第十二次发掘掘墓百余座。1936年9月至12月，第十四次发掘在小屯村得字甲2片和一些铜器、玉器。
发掘龙山遗址
山东历城龙山镇城子崖遗址是由吴金鼎发现的，而凸显龙山文化重要性的则是梁思永。第一次发掘持续了一个月，城子崖遗址的丰富内涵远未被揭示。1931年，梁思永主持城子崖第二次发掘。其目的明确：“第一是想在彩陶区域以外做试验；第二想看看中国古代文化之海滨性；第三是想探探比殷墟－—有绝对年代知识的遗址更早的东方文化。”（《城子崖序顷誉》）
梁思永不仅参加了遗址的发掘过程，还负责整理编写发掘报告。《城子崖——山东历城龙山镇黑陶文化遗址》一书于1934年由中央研究院历史语言研究所出版。这是中国第一部田野考古发掘报告。梁思永除亲自撰写其中几章外，还负责全部稿件的审阅和修改。
为进一步了解龙山文化，1936年夏，梁思永主持发掘山东日照两城镇附近的瓦屋村、大孤堆遗址。1937年4月，参观了浙江杭县良渚遗址的发掘。他在实践基础上推出了关于龙山文化的精辟见解，撰写《龙山文化——中国文明的史前期之一》，简明扼要叙述龙山文化的面貌，分析其特征，预见到龙山文化能划分为不同的区域类型，并探讨了龙山文化和商文化的联系。这是迄今为止介绍龙山文化最精辟的一篇论文。
考古学方法
作为第一位走出国门，接受西方考古学正规训练的学者，梁思永引进传播了现代考古学的 方法，又使之切合中国国情与文化传统。考古学方法基石之一的类型学就颤乎蠢是由他阐释和实践的。他在精细分类的基础上，将西阴村的遗物与国内外其他史前文化比较，从而认识西阴村陶片蕴含的文化特征，认识到新石器时代后半期，远东存在两大基本陶器型式，即中国北方的无彩陶与西阴、仰韶的彩陶。
此外，他还认为要了解古人如何制作器物，最好能从现在的民间手工艺技术入手。为此，他在北京曾调查过工匠制作玉器的技术，并收集工具标本。在昆明期间，他从民族学、人类学方面对云南少数民族的民俗风情作了调查，从对陶器制造的研究到对农业灌溉系统和青铜器工业的考察，而这种观察又反过来进一步加深了他对安阳发掘中收集的考古资料的理解。梁思永的这些做法与二十世纪五六十年代在新考古学的某些理论不谋而合。如引进民族学、人类学的研究成果，以及实验分析的方法等，可以说是新考古学一派的先驱。
