2016年-2020年，新疆文物考古研究所与北京大学考古文博学院合作，对吉木乃县通天洞遗址进行了五次考古发掘，发掘面积合计241平方米，有洞穴、旷野两个发掘区。发现了距今4.5万多年的旧石器中期向晚期过渡的文化层堆积，出土石器、铜器、铁器等各类编号标本和动物化石3000余件。
通天洞遗址位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区吉木乃县托斯特乡阔依塔斯村东北的一处花岗岩洞穴中。吉木乃县位于准噶尔盆地北缘，萨吾尔山北麓，额尔齐斯河南岸，东与福海县毗邻，南与塔城地区的和布克赛尔相连，北接哈巴河、布尔津两县，西与哈萨克斯坦共和国接壤，边境线长141千米。
该地区位于中温带大陆性气候区，但西风环流带来大西洋水汽，顺额尔齐斯河谷地和哈萨克斯坦斋桑谷地长驱直入，向北遇阿尔泰山受逼抬升降水，使得阿勒泰地区成为新疆的丰水区之一。遗址所在地域年降水量在300毫米以上，使得该区域不但是现在放牧的优良牧场，也是适宜远古人类生存繁衍的重要地区。通天洞遗址周围也发现有多处不同时期的古代遗存，如江赛提遗址、萨尔阔拉墓群、克孜勒吐育克墓群、森塔斯石人墓、松树沟阔克拉萨墓群、库热萨拉山顶墓群以及克孜勒阔拉岩画等。
遗址有三处大小不一的洞穴，正面看略呈“品”字形，左下洞穴最大，洞口长22.5、最大进深27、高4.5米，进入洞穴约2米时，洞穴与山顶上下相通，通天洞由此得名。因洞穴曾经长期作为牲畜棚圈使用，洞内地表牛羊粪便堆积很厚，并有较多灰烬。洞穴靠东内壁又有三个小洞穴，北侧洞口曾用土坯封砌，可能跟棚圈有关。内壁南侧上部还有一小洞穴，通到山坡右上方。左边较小洞穴，被土几乎填满，洞口有面积约30平方米的堆积，据当地牧民描述，下暴雨时，经常会从堆积中冲出陶片。在此堆积上，釆集到一些石杵残件及手制夹砂灰陶、红陶片，陶片除素面者外，也可见刻划纹、剔刺纹构成的折线纹等纹饰。这些陶片及纹饰与切木尔切克文化墓葬出土的陶器形制、纹饰基本一致。
2014年，新疆全国第一次可移动文物普查北疆文物专家组与阿勒泰地区、吉木乃县文物局工作人员在吉木乃县途经阔依塔斯村时发现此处遗址，初步认定该遗址属于青铜时代古人类生活居住遗址。2015年，新疆文物考古研究所派专人对该遗址进行了较详细的调查。
2016年初，向国家文物局提出了发掘申请并获得批准。为了探明该洞穴遗址的规模和性质，在一号洞穴内、二号洞穴外各布置一个５米×５米的探方，以便发掘、认识遗址的考古学文化序列和相关遗存。一号洞穴内地表牛羊粪堆积较厚，清理完毕后，布置探方Ｔ1515。探方清理发现，早期铁器时代——青铜时代文化层堆积比较薄，东南面出现了比较纯净的黄沙层，逐渐扩展到全方，再向下清理则为碎岩石堆积，碎岩石堆积层清理完后发现了较多的旧石器和动物化石。新疆文物考古研究所联合北京大学考古文博学院对其中４平方米的范围进行了试掘，初步确定了石制品的性质和时代。
二号洞穴外的探方Ｔ0505发掘中发现了较多的陶片和石磨盘以及反复用火的遗迹，并发现有疑似石块堆垒的遗迹。
以此为基础，2017年-2020年，两家单位再次合作陆续对通天洞遗址进行了四次发掘。除了继续对Ｔ0505（总编号为Ｔ0118）、Ｔ1515两探方进行发掘之外，为了解地层堆积情况和遗存种类，还在通天洞外平旷处发掘1米×2米小型探沟一条、小型石板墓一座以及７个探方，发现有灰坑、灶坑、柱洞，出土有石镞、陶片、铜器、细石器、陶纺轮等。发掘期间，还邀请中国科学院遥感与数字地球研究所协助对遗址发掘区域及周边进行了电法物探和探地雷达勘探，对遗址及附近的地层堆积情况进行了初步推断。
同时，还对周边进行了多次考古调查，在吉木乃、哈巴河和富蕴三个县境内发现和复查了６处石器地点，并对釆集到的石制品进行了整理研究。
一号洞内Ｔ1515的⑥Ａ～⑨层为旧石器时代文化堆积。发现有大量的石制品、动物骨骼化石及灰堆等遗迹现象。
Ｔ1515的⑧Ｂ～⑨层共发现3个原位埋藏的灰堆。其中有两处叠压在一起，仅清理出其西侧的一半，东侧半位于叠压在地层之下未发掘，有一处灰堆边界呈较为清晰的圆形。灰堆表面发现有石制品，紧邻灰堆周围的砂土颜色较正常略显偏红，可能与火烧有关。此外，第⑦层的大部分区域都可以发现厚薄不一、形状不规则、边界不清楚的黑色灰烬，很可能是被流水扰动过的灰烬堆积。
通天洞遗址旧石器地层共出土编号石制品1259件、动物化石标本793件，合计2052件。此外出土遗物还有筛选及收集的包括碎屑在内尺寸较小的石制品２千余件、保留部分鉴定特征以小型动物为主的动物化石9千余件。绝大多数遗物都出土于⑥Ｂ层和⑦层，约占全部石制品的88％，但各层位出土遗物的类别、比例没有明显的变化。
石制品原料的岩性种类多样，以凝灰岩、硅质泥岩和硅质灰岩为主，安山玢岩、石英和燧石也有一定比例。其中硅质灰岩、硅质泥岩和燧石等优质原料占到了三分之一以上，多用来生产精致的工具和尺寸较大的勒瓦娄哇产品。而非定型工具、非定型石核、简单石片等原料质量相对较差。
整体上看，通天洞遗址的石制品具有典型的勒瓦娄哇因素，典型的勒瓦娄哇石片、勒瓦娄哇石核、勒瓦娄哇尖状器以及莫斯特尖状器合计约占石制品的14.3％，考虑到还有相当数量的以勒瓦娄瓦石片为毛坯的器物，这一比例应该还会更高。此类产品明显选择了剥片性能更加优异的硅质岩类，而简单剥片的石片、石核以及大量的非定型工具则较多地使用了火成岩。通天洞石器组合另一个显著特点是工具的比例高达占38.1％，结合遗址内发现的石核尺寸较小、石料不佳、断块和碎屑较少等现象判断，这些工具应当是在洞穴以外的其他地区完成生产后再带入遗址的。
通天洞旧石器地层已鉴定出的动物种类包括犀牛、棕熊、鸟类、食肉类、兔、羊、驴等，动物骨骼破碎程度很高，部分骨骼有明显的切割、灼烧、敲击等痕迹。动物骨骼中烧骨占一定比例。结合灰堆等遗迹现象以及石制品组合来看，这些骨骼明显与人类活动有关。筛选出来的动物碎骨则非常细小，以啮齿类、鸟类等小型动物为主。
一号洞内探方Ｔ1515②Ｂ层共发现有11件石制品，包括完整石片、断片、断块等以及１件更新台面石片和１件细石叶。除１件粉砂岩的石片外，其余石制品全部使用优质的硅质岩类原料。这一层位的年代不详，因位于青铜时代地层之下，不排除其年代可能已经进入全新世的可能。
二号洞外Ｔ0505（总编号为Ｔ0118）⑩、、连续３层出土有细石器，经过Ｃ数据测年，集中在距今8900-13000年。
二号洞外Ｔ0505以及洞外平旷处发现的被破坏的石板墓葬、柱洞、灰坑、灶坑等，出土了较多的陶片、石器，以及少量的铜器、铁器、骨器等。其中陶片有口沿、器底、器身，器身陶片较多，多数为素面，有－部分表面有刻画纹。石器有磨盘、石球等。陶片口沿可以看出有敞口、敛口等种类，纹饰有刻划纹、压印纹、戳印纹，器耳有鋬耳，器底可见多为平底器；铁器有铁刀，铜器有铜镞、铜锥，骨器有骨勺。
浮选的植物中，主要有黍、大麦、小麦等，并以大小麦颗粒进行了测年。
经过动物化石Ｃ测定，旧石器时代的文化层堆积的年代约为距今4.5万年。
Ｔ0505内早期铁器和青铜时代地层堆积经浮选得到了炭化的小麦（Triticum aestivum L）、青稞（Hordeum vugare L.var. NudumHook.f.），对其进行Ｃ测年所得年代为距今5200年-3500年（校正值）。这表明通天洞遗址有可能是新疆目前最早的铜石并用时代遗址。
黍（Broom commillet）出土地层与小麦青稞相同，年代也在距今约5000年。
通天洞遗址是一处综合性的洞穴遗址，是新疆境内第一处经过考古发掘、发现有明确地层的旧石器时代遗址。五年的发掘表明，遗址堆积较厚，发掘区最深处距地表约３米，发现了旧石器—铜石并用（可能有新石器时代）—青铜—早铁时代的连续地层剖面。遗址堆积序列清楚，年代跨度大，不仅填补了新疆史前旧石器考古的空白，也是中国旧石器考古的重大发现，对了解新疆地区四万多年以来古人类演化发展过程、确立区域文化发展的编年框架有非常重要的意义。
早期铁器和青铜时代地层中发现的遗物包括陶器、铜器、铁器、石磨盘等，陶片显示出欧亚草原青铜时代类似于阿凡纳谢沃文化和切木尔切克文化以及阿勒泰地区早期铁器时代文化。
旧石器文化层中出土的石制品种类十分丰富，包括勒瓦娄哇石核、盘状石核、勒瓦娄哇尖状器、各类刮削器与莫斯特尖状器等典型的勒瓦娄哇－莫斯特文化的石制品。总体显示出较明显的旧大陆西侧旧石器时代中期文化特征，在国内同时期遗址中十分独特，填补了中国缺少典型旧石器时代中期莫斯特文化类型的空白。动物骨骼破碎程度较高，有明显的切割、灼烧、敲击等痕迹，可鉴定种属包括食肉类、兔类、羊、驴、犀牛、棕熊以及鸟类等大量小动物骨骼，为探讨这一时期人类对动物资源的利用方式和遗址环境变迁提供了宝贵的资料。
遗址所出土的典型莫斯特文化遗存在中国目前只发现于少数几个遗址，主要分布在中国西北及北方的北部地区，而这类遗存在中国周边俄罗斯西伯利亚、蒙古等地却有较多的研究和发现。通天洞遗址所在的新疆阿勒泰地区位于亚洲腹地，特殊的地理位置和出土的典型莫斯特文化遗存为进一步探讨更新世亚欧大陆史前时期人群的迁徙、交流、扩散等问题提供了重要的线索。在探讨古人类适应方式、生计行为、石料来源、古环境研究、年代学等方面都具有巨大的研究潜力与学术价值。
遗址中发现了目前国内最早的小麦、青稞，也发现了新疆目前最早的黍，并且在发现的农作物中占有60％以上的比重。这是值得关注的问题，黍作物在距今约9000年前在华北被驯化以后，开始向四周传播，在近5000年前传播到通天洞，因此可以认为，在距今5000年的通天洞，存在一条黍麦交流的通道，这对于早期农作物的传播及其相关文化的研究具有重要的意义。
近年的考古调查发现，通天洞遗址是一处文化内涵极为丰富的综合性遗存。由于一、二号洞口朝西，冬季有强烈的西风灌入，洞内并不适合人类生存，冬季应该在对面巨大的背风朝阳岩壁下面居住，物探结果显示，岩壁下面五六米处也存在一处较大洞穴。岩壁背后则是天然巨岩围成的相对封闭、朝北的“Ｕ”字形四合院，也适合人类居住，过了道路对面的山岩下，也发现一处洞穴；遗址核心区周边有９处从青铜时代到早期铁器时代的古墓地和一处小遗址，西北近１千米处发现有一较大的岩棚，堆积很厚。
总体来看，通天洞遗址不但是旧石器考古的重要收获，也是新疆北部史前考古文化序列构建的重大突破。阿尔泰山与塔尔巴哈台山之间相对平坦的山谷从旧石器时代开始，一直就是重要的文化传播与交流通道，这一特点在青铜时代、早期铁器时代的遗存中也有所表现，为阿勒泰地区史前考古打上了一以贯之的底色。2018年１月８日，吉木乃通天洞遗址入选中国社会科学院考古学论坛·2017年中国考古新发现（六大发现）。４月16日，入选了“2017年度全国十大考古新发现”。（新疆文物考古研究所 于建军）
