早在1929年，有一个姓燕的村民在挖水沟时，意外地挖到一堆玉器，总数约有400余件。消息传到成都市的华西大学，立刻引起了该校老师的重视，校方于1934年派人到三星堆作了一次发掘。根据出土的玉、石、陶器等遗物，初步推断这是一处“从铜石并用时代到周代初期”的遗存。
新中国成立后不久，四川的考古人员多次派人到三星堆一带调查。1958年和1963年曾作了小规模发掘，根据当地遗址密集的特点，专家学者提出了该地“很可能是古代蜀国的一个中心都邑”的推断。1980年，考古工作者对三星堆遗址又一次进行发掘，并确认这是一处有浓厚地方特色的商周时期遗存。
1986年，由四川大学和四川省考古研究所组成的联合考古队，在三星堆展开了一场大规模的考古发掘。7月18日，砖瓦厂工人在挖土方时，意外地发现一根长40厘米的玉器。依据这一重要线索，考古队立刻对该处进行了抢救性发掘，7天后，一个巨大的器物坑被打开了，人们在惊喜中发现了50多年来梦寐以求的东西。在这个长4.6米、宽3.5米、深1.64米的1号祭扫坑中堆满了400多件金、铜、玉、象牙等不同质地的珍贵文物。一个月之后，又一座长5.3米、宽2.3米、深1.55米的土坑在1号坑附近被发现，在这个编号为2号的祭祀坑中发现了一尊高2.6米的青铜人像，周围是一大堆青铜器和玉器，珍贵文物多达1000多件。
三星堆祭祀坑出土的文物，大多被赋予神秘色彩，既令人回味无穷，又充满悬念。
祭祀坑出土的用纯金箔包木芯而成的金杖，长142厘米，表面有平雕纹样：上部为两背相对的鱼和鸟，下部是头戴五齿高冠、耳垂三角耳坠的人头。这大概是象征权力的权杖，代表至高无上的王权。出土的最大一株青铜神树，高390厘米，上有巨龙、禽鸟、花果等等。这是我国已知最大的一件青铜器。
在一个神权国家里，巫师具有特殊的地位，最高统治者本身就是大巫师。三星堆祭祀坑发现的青铜大立人像，光足立在方座上。他头戴高冠、身着布袄长衣、脑后椎髻，双手作掘持状。由于它的形象近似《蜀王本纪》里所说的蜀人，因此有的学者认为它很可能是某个蜀王的塑像。
也有一些13.3厘米高的小人像，如有的头戴平顶双角冠，身穿对襟长服，腰部束带，双手扶腹，右腿蹲屈，左膝跪地，光脚。显然身份要低许多。
祭祀坑出土的大量青铜人头像，更以其形象之奇特、铸造工艺之精致，受到人们的特别关注。他们或平顶、阔眉大眼、高鼻大嘴、长发梳向脑后；或头戴回字纹平顶冠，粗眉大眼、高鼻大耳、嘴角下勾；或回头顶、浓眉大眼、蒜头鼻，头后饰蝴蝶形花笄；或将发辫盘于头上，粗眉大眼。高鼻圆耳、嘴角下勾。有人认为，它们的形态差异，代表了不同身份和不同级别的巫师。
祭祀坑发现的人面像，形态也各具特色，极富神秘色彩。如有的阔眉大眼、眼球突出眼眶，鹰钩鼻、大嘴上翘耳际，双耳向斜上方伸出；有的做成方瓯宽面，粗眉大眼、鼻棱突出、阔嘴嘴角下勾；有的长脸，短眉、杏叶服、高鼻梁、嘴角上翘、长直耳。
三星堆祭祀坑的出土给人们提出了很多疑问，如既然这两个器物坑具有祭祀功能，那么祭祀的对象是什么呢？这外遗址究竟与巴蜀国有什么关系？等等。
为此，各科专家这者齐聚一堂，共同努力，正逐步揭开三星堆神秘的面纱。不少学者认为祭祀坑既祭祀日月星辰，也祭祀土地和祖先。
三星堆究竟与巴蜀古国有什么关系？学术界普遍认为，三星堆遗址是古蜀国的一个重要统治中心。蜀国是川西平原的一个古国，但它的面貌一直不为人知。千百年来，人们对它的了解，仅限于西汉扬雄的《蜀王本纪》和东晋常璩的《华阳国志》中残缺不全的记载。三星堆文化的发现开拓了人们的视野，学者们开始对历代发现于川西地区的不同于中原地区的一些古器物进行了大量的研究，肯定了巴蜀文化的存在，进而又勾画出古蜀国文明的初步轮廓。通过对遗址进行的深入调查表明，三星堆遗址总面积为12平方公里，在三星堆的东、西、南三面，还发现了巨大的城墙，证明它是一个古城。这个城东西长1800多米，南北宽1400米，总面积2.6平方公里。城墙始筑于商代前期。城内已发现房屋基址40多间和许多窖穴，祭祖坑和其他遗存分布于城内各个部位。从古城中的发现可以看出，蜀国是个文明程度较高的古国。尤其对神权力量的信服程度高深。
据测定年代数据和考古工作者的推断，三星堆祭祀坑的年代分别为公元前14世纪和公元前11世纪左右。
尽管对三星堆祭祖坑乃至三星堆文化的研究取得了不少成果，但要完全揭开其神秘的面纱，尚须作大量工作。随着成都平原及其附近地区的考古工作不断扩大，新资料不断出现，一些结论将会受到挑战，不少学术问题的讨论将继续进行，但对有些问题的认识也会不断趋于深入。
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