1997年，河北省人民政府将泥河湾列为全省第一个省级地质遗址保护区。
2000年9月10日，河北省文物局副局长，考古专家谢飞等发掘马圈沟第三文化层。发掘面积60平方米，共发现石制品及动物骨骼化石800多件，遗址的发现把东北亚古人类活动的年代上推到距今200万年的远古时期。
2001年3月入选“中国20世纪100项考古大发现”，被国务院列为全国重点文物保护单位。
2002年初，泥河湾地质遗迹晋升为国家级自然保护区。
2006年10月保护区管理处荣获“全国自然保护区管理先进集体”称号，2011年6月保护区荣获国土资源部科普基地直接命名。
河北省泥河湾国家级自然保护区位于阳原县与蔚县境内，实际保护面积为东经113°45′—114°45′、北纬40°00′—40°20′之间的1015公顷，分为下沙沟、郝家台、红崖和东窑子头四个分区。
早在200万年以前，阳原盆地是一个大湖，它的水域几乎占据了今阳原的全部、蔚县的部分村和山西省雁北地区的一部，面积达9000平方公里。人们把这个历史上存在数百万年的古湖，称为泥河湾古湖。湖泊四面环山，湖岸上是草原和高耸的山峰，丛林茂密，三趾马、披毛犀、剑齿虎、爪蹄兽、转角羊、纳马象等古动物时常出没；湖水中游弋着多刺鱼、双壳蚌等水生动物。古湖数万年前由于地质变化完全干涸，露出了广阔的平原，由于桑干河、壶流河的侵蚀，古平原遭受破坏，变成了绵延起伏的丘陵成大小各异的台地，逐渐形成了山峰耸立、沟壑交错、地层分明的地质特征。
主要保护对象为晚新生代典型地层剖面、晚新生代地层中的哺乳动物化石及其主要发掘遗址、地层中的人类文化遗迹和古人类活动遗址等。
位于阳原县大田洼乡官厅村北500米，1978年，由中国科学院古脊椎动物和古人类研究所尤玉柱、汤英俊和李毅等发现并进行发掘。发现石器1000余件，属于小石器传统；山土的动物化石有桑氏鬣狗、三趾马、三门马、披毛犀牛、羚羊等。其地质年代为距今136万年。小长梁遗址作为我国古人类活动最北端的见证，被镌刻在中华世纪坛的青铜甬道上。
1935年，法国考古学家步日耶来到中国，在河北省阳原县泥河湾村被称为更新世早期的“泥河湾组”地层的下部采到一块石头。经他研究，确认为石器--“粗糙的手斧”。发表在法国出版的古人类学杂志上，文章中推断，当时泥河湾一带曾经生活过北京猿人，甚至更早的人类。
1972年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所的两名研究人员沿桑干河调查旧石器遗址，在泥河湾之西700米的下沙嘴“泥河湾组”的粗砂层内找到一件具有清晰的人工打击痕迹的石器。与其伴生的动物化石有一件相当完整的纳玛象化石(更新世晚期的象类化石)。此后，又进行核对性发掘，在不远的同一层位中找到数件小型长薄石片和若干曾经人工打击但尚未成型的石器，伴生的动物化石有披毛犀，马，驼鸟，鼠，兔等。
1978年8月21日，古脊椎动物与古人类研究所的第四纪组的研究人员又进入泥河湾盆地考察，于阳原县官村附近的小长梁找到一处内涵极为丰富的旧石器时代遗址，位于"泥河湾组"下部的地层中，称之为小长梁遗址。共发现了2000余件石器，若干打击过的骨片，或留有刻划痕迹的骨片以及吃剩丢弃下来的三趾马，马，羚羊，牛，鹿，犀，虎，象的残骨和牙齿。可惜尚未发现人类骨骼的化石。至于遗址的年代，经古地磁的测定，泥河湾组的顶部年龄为150万年前，底部为300万年前，遗址的层位定为243万年--255万年之间，大体来说，250万年左右，这就是目前我国境内发现的古人类文化的遗址。根据石器的分析，当时人类已有语言。1981年，在小长梁对岸的东谷坨又发现了一处面积极大，遗物丰富的石器地点，距今100万年，说明当时在东北已有很多人类活动了。
虎头梁遗址位于阳原县东城镇虎头梁村东南约800米处，1972年，由中国科学院古脊椎动物和古人类研究所盖培、卫奇发现并发掘。发掘出以楔形石核和尖状器为主的大量石器，还发现了古人使用过的灶坑。随后，由河北省文物研究所发掘了于家沟遗址，出土了距今1万年前的夹砂黄褐色陶片，是在旧石器时代地层里发现的一块陶片，对研究旧石器时代向新古器时代过渡、农业起源、制陶业起源等具有重要的意义，被评为1998年全国十大考古新发现之一。
马圈沟遗址位于阳原县大田洼乡岑家湾村西南，1992年，河北省文物局谢飞领队，进行连续发掘。2001年，对III文化层进行发掘，惊现200万年前人古人类“餐桌”：在发掘探方的南部区域，散落着一组以象的骨骼为主，间有石制品、动物遗骨和天然石块构成的古人类进餐场景，多数骨骼上有砍砸和刮削的痕迹。生动地展示了古人类群食大象，刮肉取食、敲骨吸髓的情景，对研究当时人类的行为提供了珍贵的科学资料。
侯家窑遗址位于阳原县东井集镇侯家窑村西南1000米处，1973年，由中国科学院古脊椎动物和古人类研究所贾兰坡、卫奇等发现，1976年正式发掘。发现人类化石16件，还有大量的脊椎动物化石。发现石制品14041件，其中石球1079件，最大的超过1500克，最小的不足100克，是古人类打猎用的“飞索石”，举世罕见。其地质年代距今10万年。侯家窑遗址发掘出土的古人类化石，不论分布规模，还是埋藏内涵，一定程度上可以与北京猿人相媲美。
1924年 英国地质学家巴尔博在张家口地区收集地质资料著博士论文期间，前往虎头梁以及郝家台考察，首先将分布在桑干河湖相地层命名为"泥河湾层"。 9月13日，法国神甫桑志华到泥河湾一带考察，涉及范围东至下沙沟，南至蔚县东力元庄，西至大同、平鲁等地。
1926年10月初，法国神甫德日进和桑志华在泥河湾一带进行考察，搞清了地层和古生物学上的一些问题，所采集化石材料现全部保存在天津自然博物馆。
1927年，德日进和桑志华发表有关"泥河湾"的两篇学术论文。
1930年，德日进和皮孚陀发表了世界的论著，把下沙沟一带发现的哺乳动物化石种类称之为"泥河湾动物群"。
1948年，第十八届国际地质会议中，我国教授杨钟键正式向会议提出泥河湾，并将泥河湾列为上新统最上部。
1954年，在纪念北京人发现25周年的会上，正式把相当于欧洲维拉弗朗期的泥河湾层改为早更新世。于是泥河湾成了中国乃至世界进行第四纪地层对比的标准剖面。
开始发掘
1958年，北京大学地理系在雁北地区设立野外实习基地，开始对泥河湾一带进行地貌学和第四纪地质学研究。
1964年，北京大学教授夏正楷先生在虎头梁发现鱼化石。
1965年，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所太原工作站王择义、王向前教授等到虎头梁采集鱼化石，并发现虎头梁遗址65039和65040地点。
1972年，中国科学院"双古所"的盖培和卫奇两位专家在桑干河中游地段发掘虎头梁遗址。发掘出以楔状石核和尖状器为主的大量石器，还发掘出古人使用过的灶炕，周围散落着大量的木炭粒、烧骨和烧过的鸵鸟蛋皮等。
1973年，中科院“双古所”盖培、卫奇对虎头梁遗址进行发掘，并发现了73101、73102、73103、73104、73105、73107地点． 著名学者贾兰坡和卫奇在泥河湾村西约70公里的地方发现候家窑遗址。发现珍贵的古人类化石16件，旧石器时代文物近万件，以及众多的骨角器并出土了大量哺乳动物化石。石器中仅石球就有1079件，从一个遗址中发掘出如此之多的石球，在世界考古史上都绝无仅有。
1978年，中科院“双古所”的尤玉柱、汤英俊和李毅，在桑干河南发现了小长梁遗址，中美两国的科学家联合用古地磁法进行了测定，结论为距今136万年，属于旧石器时代的早期，至此小长梁成为东亚北部确知的最早的人类遗址，使得"在100万年前亚洲没有人类文明"的论断不攻自破。
1981年，国家地震局在红崖一带发掘了一批古脊椎动物化石。5月，卫奇在裴文中教授的组织下，带领天津自然博物馆孟浩，县文保所成胜泉在钱家沙洼发现桑干河大角鹿的一具头骨，并在东谷坨发现一处旧石器地点。 6月，中国科学院贵阳地球化学研究所在泥河湾一带采集古地磁测定样品，李华梅教授在次年莫斯科召开的国际第四纪会上发表了郝家台地层论文。
1990年，5月18日，卫奇委派成胜泉等人在南辛庄和大田洼一带进行调查．发现了一处旧石器遗址，后定名为半山遗址。
1991年，7月7日--8月4日，中美联合考古队在东谷坨遗址继续进行发掘，发掘出土石器及化石1000多件。
1993年，9月17日--10月14日，由河北省文物研究所组织发掘马圈沟遗址，人员有河北省文研所李君、保定市文物科李英、昌黎县文保所王恩林、阳原文保所成胜泉参加发掘工作，出土化石166件，石制品301件。
1995年 8月10日，由河北省文研所等单位，对阳原西水地姜家梁墓地进行大面积发掘，本次发掘7千年前的房子8座，4千年前的古墓69座。在发掘姜家梁古墓的同时对于家沟遗址进行发掘。
泥河湾盆地保存有巨厚的河湖，河流和黄土沉积，含有十分丰富的哺乳动物和其他动杆物化石。自20世纪20年代起，这里成了东亚北部早更新世（距今260到78万年）的河湖地层标准剖面和早更新世哺乳动物群——泥河湾动物君的命名地。1978年，中科院古脊椎动物与古人类研究所考察队在盆地东部发现了出产丰富石制品和动物化石的小长梁遗址，从而揭开了在这个盆地寻找亚洲人类足迹的历程。泥河湾盆地已成为东亚早期人类科学考察的热点。
区内具有国际第四纪标准地层、远古哺乳动物化石及象征古人类东方发源地和中华文明起点的众多遗迹遗址，因而是研究中国第三纪晚期及第四纪的地层、古生物、古人类、古环境、古地理及新构造运动等的天然地学博物馆。
