新中国成立之后的十余年里，“由于经济建设的大规模开展及专业人员队伍的迅速扩充，这期间的田野考古工作有了较大规模发展”，三星堆遗址在此期间开展了三次考古工作。
1956年秋季，四川省文物管理委员会对三星堆遗址进行了初次调查，初步了解了遗址的堆积状况。由于缺乏对遗址整体的把握，将遗址的南、北两部分分别命名为“三星堆遗址”和“横梁子遗址”。1961年，为配合学生教学实习，四川大学历史系考古学教研组再次对三星堆遗址进行了考古调查，进一步掌握了遗址的堆积状况，获得了不少陶器和石器，并已经认识到之前分别命名的“三星堆遗址”和“横梁子遗址”有可能为同一个遗址。
为进一步了解遗址的内涵和堆积情况，同时为了完成教学实习任务，1963年9月，由冯汉骥先生带领四川省文物管理委员会和四川大学历史系考古教研室对月亮湾地点进行了新中国成立之后的第一次正式考古发掘。发掘分为3个地点，实际发掘面积150平方米，以燕家院子东南的第一地点收获最大。不仅完整揭露了该地点的堆积，将其分为二期，还发现了墓葬、铜器残块、孔雀石、铜炼渣以及疑似坩埚的粗砂陶片。因为其丰富的文化内涵，发掘者将此次出土遗存命名为月亮湾二期文化。
本阶段开展的工作依旧不多，但从一开始就带着确认遗址的目标，到后期已基本形成了三星堆遗址的整体概念，较之上一阶段只知发掘地下文物而不知遗址有了显著的进步。同时，本阶段对于月亮湾、三星堆等地点的堆积状况以及月亮湾地点的年代有了更加深入的了解。
夏鼐先生于1950年代从国外引入了“考古学文化”理论。到1970年代，由苏秉琦先生发展并提出了“区系类型学说”。在二者的影响下，四川省文物考古研究院等单位以构建三星堆遗址分期体系与考古学文化序列为目标，在因当地砖瓦厂取土破坏严重的三星堆地点、西泉坎地点分别开展了六次抢救性考古发掘。
1980年5月、1980年11月至1982年5月，四川省文物管理委员会、四川省博物馆和广汉县文化馆联合对三星堆之中堆东侧台地进行考古发掘，共计发掘面积1225平方米。此次发掘除了发现大量沟槽式建筑之外，还发现了丰富的文化堆积，发掘者将其分为5层，归并为三期，并以“三星堆文化”命名之。此次划分的三期遗存成为发掘者后续建立的三星堆遗址四期分期架构中的前三期。
1982年4月至12月，四川省文物考古研究所在1980年发掘地点附近继续开展小规模发掘，面积不足100平方米。本次发掘发现了1座陶窑，以及卵石坑和填充黑色灰烬且出土1件铜器的灰坑。更重要的是，此次发掘确认了叠压于1980年所分的第三期遗存之上且内涵特征具有延续性的地层堆积，由此补齐了三星堆遗址四期体系的最后一环。
1984年3月至5月，四川省文物考古研究所继续对三星堆遗址北部的西泉坎地点进行发掘，共计发掘面积约175平方米。此次发掘确认了西泉坎地点的文化堆积，另外还发现了大量的石璧坯料、半成品和残品等。
1984年12月至1985年1月，四川省文物考古研究所在三星堆北堆东侧进行这一阶段的第5次发掘，面积125平方米。此次工作的发现以文化堆积及出土的陶器和石器为主，未见其他特别的发现。
1986年3月至6月，为配合四川大学历史系考古专业教学实习，四川省文物考古研究所与四川大学历史系联合在三星堆地点开展本阶段最后一次考古发掘，共分为三个发掘区，最南侧的为Ⅰ区，位于现祭祀区所在台地的南端，Ⅱ区即祭祀区所在区域，Ⅲ区位于1980年发掘区之东北，共计发掘面积1325平方米。本次发掘发现了三星堆遗址迄今为止最厚的文化堆积，多达16层，厚度超过2米。在第Ⅱ发掘区附近还发现了一个小型祭祀坑，坑内出土有青铜容器、铜瑗、戚形铜璧、玉瑗的残件，在第Ⅲ发掘区内也发现有类似西泉坎地点的石璧坯料。
本阶段三星堆遗址的考古工作尽管多数是为了减缓砖厂取土破坏而开展的抢救性发掘，但在此过程中已带着构建遗址分期体系和考古学文化序列的学术目的，最终也的确构建起三星堆遗址四期的分期体系并一直延续至今，而铸铜作坊、玉石器作坊、祭祀坑相关遗存的发现，则为后续考古工作提供了弥足珍贵的重要线索。三星堆一号祭祀坑、二号祭祀坑以及仓包包祭祀坑也相继于1986年7月、8月、1987年11月发现，属于本阶段考古工作的意外收获，让研究者得以提前了解三星堆遗址的祭祀行为与祭祀体系。
本阶段的考古工作主要围绕聚落考古开展，但存在从不自觉到自觉的演变过程。
早在1981年，考古工作者就注意到因砖瓦厂取土破坏的三星堆土埂可能是人工夯筑而成，后续又陆续发现遗址中另外几处砖厂破坏的土埂也包含有陶片等遗物，可能也是人工夯筑而成，愈发意识到三星堆遗址可能存在古城，因此陆续开展发掘予以确认。这期间考古工作的开展并未带着聚落考古的理念，但无论考古工作内容还是结果都与聚落考古息息相关。
随着聚落考古、科技考古等新兴考古学学科、理论从1990年代开始在中国流行，加上三星堆遗址考古工作开始纳入国家“五年规划”中，四川省文物考古研究院从2011年开始为了解聚落结构及其变迁而有计划地、系统地对三星堆遗址开展考古工作，此期间的工作显然是带着聚落考古的理念而有意开展。总体而言，本阶段考古工作可细分为三个时段：
1. 1980年代后期至1990年代
本时段主要开展疑似城墙的确认性发掘工作，其中1988年10月至1989年1月发掘三星堆城墙，1990年1月至5月发掘东城墙，1991年12月至1992年5月发掘西城墙，1994年11月至1995年1月发掘南城墙，1999年1月至2000年5月发掘月亮湾城墙，共计发掘面积3404平方米。通过这几次考古工作，面积将近3.6平方公里的三星堆城址得以最终确认，并且对于各段城墙的年代有了初步的判断。
除了上述针对城墙的考古发掘之外，本时段四川省文物考古研究所等单位还对三星堆遗址周边区域开展了大面积考古调查，发现7处遗址和6处遗物采集点，第一次对三星堆遗址周边区域的遗址分布情况和年代构成情况有了大致的了解。
本时段也有重要的意外发现，即仁胜墓地。1997年11月，三星堆遗址西侧的仁胜村砖厂在取土过程中发现一根象牙和四座长方形土坑，四川省文物考古研究所立即对其展开抢救性发掘，共计发掘面积934平方米，清理29座墓葬，出土少量玉石器和陶器，并确认其年代为新石器时代晚期。
2. 2000年代
在大致确认遗址内的城墙分布情况后，结合以往考古工作结果，考古工作者大致明确了月亮湾、三星堆、青关山等地点是三星堆遗址的重要区域，因此本时段四川省文物考古研究所针对性地对其中开展工作相对较少的月亮湾地点和青关山地点分别进行了考古发掘。
2000年12月至2001年7月，四川省文物考古研究所和四川省文物管理委员会联合在月亮湾城墙西侧的台地开展发掘，共计发掘面积550平方米。本次发掘获得了月亮湾地点最丰富的文化堆积，对于该区域的堆积状况和延续年代有了更细致的认识，并且还发现为数不少的石斧坯料，表明此处可能是制玉石器的作坊所在。
2005年3月至4月，四川省文物考古研究院和四川省文物管理委员会联合对青关山土台进行考古发掘，发掘面积750平方米，确认台地表面分布着一座大型红烧土建筑，基本确认青关山土台是三星堆遗址大型建筑分布区。
除此之外，为配合举办四川省第一期调查考古勘探培训班，四川省文物考古研究所于2002年对三星堆遗址的部分重点保护范围进行了全面考古勘探，此为三星堆遗址第一次系统考古勘探工作。此次勘探发现了遗址的东水门，对遗址部分区域的堆积状况和遗存分布情况有了全面的了解。
3. 2010年代
本时段开展的考古工作较为丰富，除了针对遗址内的系统考古勘探与重点考古发掘之外，还对遗址所在区域开展了大面积考古调查。
2011年至2017年，四川省文物考古研究院对遗址重点保护范围和一般保护范围共计12平方公里开展了4次全面、细致的考古勘探，共计勘探面积将近960万平方米，全面摸清了遗址范围内的遗存分布、堆积状况和保存状况。
根据上述考古勘探工作提供的线索，四川省文物考古研究院分别于2013年、2014年、2015年相继发掘了真武宫城墙、仓包包城墙、青关山城墙、李家院子城墙、马屁股城墙，并于2015年、2016年、2017年分别对西城墙中段、西城墙南段、东城墙以及月亮湾城墙南段进行了重新发掘，发掘面积共计2363.95平方米。通过上述发掘工作，三星堆遗址“一大多小”的古城格局得以最终确认，城墙的结构及营建过程也基本明确。
2012年至2015年，四川省文物考古研究院与四川广汉三星堆博物馆联合在2005年发掘的青关山土台持续开展大规模发掘，发掘面积共计3064.1平方米，发现3座大型红烧土建筑，最终确认了青关山土台作为三星堆遗址大型建筑集中分布区的性质。
在三星堆遗址之外，2011年至2022年，四川省文物考古研究院等单位对三星堆遗址所在的鸭子河流域、石亭江流域开展了6次大面积系统考古调查，面积480平方公里，新发现遗址40余处，进一步认识了三星堆遗址所在区域的遗址分布情况及年代构成情况。
本阶段工作相比之前，系统性、规划性更加强烈，且带着明确的“聚落考古”工作理念，故而无论是工作广度、工作深度还是工作收获都超过了以往。
2019年4月“古蜀文明保护传承工程”正式启动。以此为契机，三星堆遗址的考古工作也进入了新的阶段。考虑到之前几个阶段的考古工作已经基本摸清了三星堆遗址的基本情况、分期与年代、文化序列，对于聚落结构也有了基本的认识，唯一欠缺的是对于三星堆遗址的社会结构还不明了，遗址里的人群所属族群、等级、身份、职能等都不清楚，故而本阶段考古工作围绕“社会考古”展开，同时也继续关注聚落考古方面的问题。
2019年10月至2020年4月，四川省文物考古研究院对三星堆遗址之前确认的唯一一处墓地——仁胜墓地再次开展发掘，发掘面积844.298平方米，新发现了8座墓葬，葬俗与之前发现的墓葬并无区别，但同时还发现大量的沟槽式建筑以及大型柱洞式建筑，表明仁胜墓地并非单纯墓地，而是一处“居葬合一”的墓地。
2020年3月至2022年11月，四川省文物考古研究院联合中国社会科学院考古研究所、北京大学、四川大学、上海大学以及成都文物考古研究院等多家单位共同开展了三星堆祭祀区考古发掘，发掘面积共计1202平方米，确认了面积约13000平方米的祭祀区，发现并发掘了6座新坑，出土各类文物17000余件，并大致确认各坑的年代及性质。
2022年10月至2023年5月，四川省文物考古研究院联合故宫博物院在月亮湾地点燕家院子北侧开展考古发掘，发掘面积500平方米，确认了一座大型建筑，新发现10余座掩埋破碎玉石器的红烧土坑，可能是一处早于三星堆祭祀区的早期祭祀区。
尽管本阶段的考古工作还未结束，但已经取得了不少重要成果，在葬俗、葬制、祭祀行为与祭祀体系等方面都有新的认识。更为重要的是，三星堆祭祀区考古发掘秉持的“课题预设、保护同步、多学科融合、多团队合作”工作理念较之三星堆遗址以往考古工作有显著的进步，填补了以往考古工作在文物保护和多学科研究方面的空白。