水洞沟遗址是我国境内最早按照现代考古学方法进行考古发掘的旧石器时代遗址之一，也是宁夏境内迄今发现的最早的人类活动遗址，它对研究中华民族文化起源，有着重要的历史价值、科研价值、艺术价值和社会文化价值。
在历史文化研究方面的价值。水洞沟遗址是我国三大旧石器时代遗址之一，有着极为丰富的文化内涵。截至目前，水洞沟遗址先后已经出土文物超过4万件，其中绝大多数都是石制品。这些旧石器时代遗存的发掘不仅证实了我国拥有着丰厚悠久的旧石器时代文化，同时为研究我国旧石器时代文化提供了大量翔实的实物资料，也为探讨和解决东亚地区古人类起源提供了大量翔实的资料。
水洞沟文化是我国华北旧时器时代晚期文化的重要组成部分，不仅具有我国华北旧石器时代晚期文化的一般特征，更重要的是具有独特的与华北诸多旧石器时代晚期文化相比不同的明显特点。其特点表现为：在水洞沟文化中占主导地位的是一些石制品，如长身核（石叶石核）、盘状石核、尖状器、新月形边刮器、端刮器、勒瓦娄哇石核等。其中，石叶所占比例之大尚未见于我国其他旧石器时代文化遗址，是石叶文化最典型的代表。
水洞沟遗址发掘的旧石器时代石制品主要是以白云岩作为原料，石制品的产片主要以锤击法为主，偶见砸击法和压剥法。从这些特点中可以看出水洞沟文化遗址与我国发现的其他旧石器文化遗址存在着巨大的差异。从水洞沟文化和华北地区旧石器时代中、晚期文化的比较中可以看出，水洞沟文化在我国旧石器文化中处于一个非常独特的地位。从目前已发表的我国旧石器文化的资料中还没有找到一个遗址可以与水洞沟遗址文化相比。
在东西方文化交流中的价值。1923年，法国古生物学家德日进与桑志华在水洞沟地区进行了首次发掘，出土了300多公斤旧石器，这次的发掘成果不仅轰动了中国考古界，也震动了全世界，有力地反驳了西方学者认为“中国没有旧石器时代文化”的论断，揭开了中国旧石器时代文化研究的新篇章，成为我国旧石器时代研究开始的标志。
水洞沟文化的一个重要的特点是融合了中、西方旧石器文化。从对水洞沟文化的研究中可以发现其具有欧洲旧石器文化传统。水洞沟文化的发现者和发掘者德日进、桑志华和步日耶最早指出水洞沟文化为东亚旧石器文化中为数不多的可以和欧洲旧石器文化进行对比。法国考古学家F。Bordes也指出水洞沟是一个勒瓦娄哇技术的莫斯特工业，是一个处于向旧石器晚期过渡的十分发达的莫斯特工业。除了将水洞沟文化和欧洲旧石器文化的相似看成一种古老而普遍的文化同化现象外，国内学者更明确的认为这是文化交流的结果，是西方莫斯特和奥瑞纳技术传播到河套地区的结果。
水洞沟的石制品大致分两类：一类属于欧洲旧石器中期的莫斯特文化和奥瑞纳文化技术传统的类型，代表物有大量的石叶与石叶工具，如尖状器、圆头刮削器等；另一类石制品则秉承了华北旧石器中的小石器传统，代表物有雕刻器等。这种东西方文化类型共生的现象在中国考古遗址里非常独特。就数量而言，水洞沟遗址出土的石制品多数属于前一类，即风格和技术非常接近欧洲的莫斯特文化或奥瑞纳文化的类型。
水洞沟遗址出土的旧石器在磨制方法上所表现出来的融合了中、西方旧石器时代文化的特点，证明了自远古时代起，中、西方文明就已经开始相互碰撞、相互借鉴并在这里迸发出了夺目的火花。这一点是水洞沟遗址与我国其他地区旧石器时代文化最重要的差别。
在制作工艺与艺术创造方面的价值。水洞沟文化遗址对研究我国旧石器时代文化有着重要的科研价值，这一点不仅体现在其数量上和品种上，同时也体现在从石制品中表现出来的精湛的制作工艺与艺术创造方面。
水洞沟文化是我国旧石器时代文化中石片和石叶占主导地位最突出代表和典型，其中石叶占很大比例，是水洞沟文化的显著特征之一。石叶大多呈两侧平行或准平行，背面有一条或两条纵脊，长度为宽度的两倍以上，具有完整的近端和远端形态，有明显的使用痕迹可能是作为镶嵌用的“刀片”。石制品中还有少数羽冠石叶，他们的一侧较厚，其上保留着原打片时留下的石片疤痕。
水洞沟文化的工具中以尖状器、端刮器、部分边刮器、厚背石刀、磨石等最有特征，是水洞沟文化区别于我国其他旧石器文化的代表性器物。水洞沟的尖状器具有欧洲莫斯特尖状器的风格，在发掘的尖状器中多数采用勒瓦娄哇石片和石叶为毛坯修理而成，尖端有正尖和偏尖之别，修理方法均从两侧由腹面向单方向进行，刃缘平行，左右对称，有的还在两侧下端修整出狭柄以便捆绑。端刮器是水洞沟文化中较为普遍的一类工具，多数使用石叶或石片为毛坯修理而成。端刃的修理大多数是由腹面向背面单向进行的，修理痕迹有的平齐浅远，以石锤直接击打修理而成。长身的端刮器在器型和制作技术上都和欧洲旧石器时代晚期奥瑞纳端刮器十分接近。边刮器是水洞沟文化数量最多、形式变化最大的一类工具，有单直刃、单凸刃、单凹刃、双直刃、双凸刃、双凹刃、直凸刃、直凹刃、凸凹刃、聚汇刃10个类型。毛坯仍以石叶或石片为主，也有少数是以石核为毛坯的。修理方法多以石锤直接打击，但也有少量的标本采用了软锤或指垫法。修整时采用了软锤或压制方法，不仅刃缘整齐，整个背面都有浅平重叠的片疤。这类半月形的边刮起，和欧洲莫斯特文化的“新月形刮削器”在器形上和指法上也十分相似。凹缺器是数量仅次于边刮器的另一类水洞沟文化中最常见的工具，可分为标准型和克拉克当型两类。毛坯仍以石叶和石片为主，形态较小。水洞沟遗址还出土了少量的锯齿刃器、厚背石刀、钻具、雕刻器和磨石等。
水洞沟文化展现出了独特的艺术魅力。所发掘的石制品外型线条简洁流畅，其中部分石器均衡对称，圆弧部位圆润饱满，部分线条平行自然反映出了史前人类朴素的审美观点。从水洞沟文化的石器文化来看，水洞沟文化的旧石器时代晚期文化的特征非常明显。水洞沟文化的石器原料以白云岩为主，尺寸以中、小型较多，制作技术多采用锤击法，部分石制品采用了软锤法或指垫法。从已发掘的石器中不难发现多数石制工具具有规范的圆弧状，端刃弧度，刃角也控制在一定的范围之内，表现出了十分细腻精巧的制作工艺，其制作技术的进步和工具的精良是我国已知旧石器中期文化所无法比拟的。
除此之外水洞沟珍贵的磨制环状装饰品以及磨制此类装饰品的磨石的出土，为研究我国北方旧石器晚期人类文化发展的水平、技术演化，特别是艺术品的工艺水平、加工使用情况提供了最新的实证，这些艺术品是迄今为止发现的磨制工业品中年代最早，其精美程度在我国旧石器文化中也是仅见的。它的发现极大的丰富了水洞沟文化的内涵，为研究当时人类的行为模式和审美能力提供了重要的信息。
在地质地貌演变与史前人类文明研究方面的价值。在对水洞沟遗址石器的研究中，除对其旧石器特征及其文化内涵的研究之外，最引人注意的是遗址的地层剖面。这是因为水洞沟遗址是我国华北第四纪晚期距今30000年以来的标准剖面。
水洞沟遗址剖面对研究我国华北地区地质地貌、生态环境有着重要的科研价值。首先，水洞沟遗址剖面沉积物具有广泛的对比性，在F2坡面下部有2米左右的灰绿色与灰黑色粉沙土。此层系距今30000～23000年冷温环境下形成的湖沼相沉积，该层系末次冰期盛冰期前形成，以含较丰富云杉的孢粉组合为特征。此层上覆5米以上的灰黄色粉沙土，在F1此层中含有一些钙结核，这是水洞沟含旧石器主要层位为末次冰期盛冰期干冷环境下形成，与黄土高原马兰黄土中上部可比，年龄距今20000～10000年，在第一地点此层之上为沙砾形成的侵蚀面，侵蚀形成的沟谷中堆积有含石棒与石磨盘等新石器的全新世河流与湖沼沉积，以中部含泥炭层为标志的全新世中期沉积（距今8000～3000年），而其上覆土为冲积相为主的全新世晚期沉积（距今约3000年至近代）。其次，水洞沟遗址之剖面的第二个特点是层位关系清楚。晚更新世晚期沉淀以侵蚀不整合与其早先的地区分开来，晚更新世晚期与全新时期的侵蚀不整合接触关系也一目了然。这一腐蚀面即安特生讲的板桥期腐蚀。水洞沟为论证华北晚更新世与全新时底层间有一侵蚀不整合面提供了一个新的十分清楚的证据。这以侵蚀不整合面反映了距今10000年间有急剧的气候地质事件发生，它对催生新石器文化有着十分重要的意义。水洞沟遗址的可广泛对比性，不论对华北地理、古环境、古文化的理论探讨或解决工程实际问题都将发挥重要作用。
要更加透彻的了解水洞沟遗址文化就要把剖面和旧石器遗存两者相结合起来，对地层中发掘的哺乳动物化石群、旧石器地点和古人类化石地点的研究可以为第四纪地层的研究提供可靠的依据，并促进了年代地层学的研究。同时对地质地貌以及其成因的剖析又可以更加科学准确地推测出古人类生存的环境条件，气候状况。旧石器遗存和地质剖面两者相互印证，在对水洞沟文化的科学研究中是统一的不可分割的整体，只有两者充分的结合起来才能更加全面完整的认识水洞沟文化的深刻内涵。
在科学考古研究方法方面的价值。水洞沟遗址的首次发掘至今已经历了80多个春秋，在此期间共经历了5次大规模的发掘工作，经过这几次考古发掘，积累了大量的实践经验，并形成了一整套科学先进的考古研究方法。在2003年的考古发掘工作中专家们采用了一些当代最新的田野方法和标本观测、记录、处理方法，力求获取完整的科学信息，建立中国旧石器考古田野规范，并采取多学科同步协作的方式，在发掘现场采集地质、底层、年代和环境样品以供多方面的分析和测试。对任何遗迹和遗物都进行了编号、记录和采集，对每件标本进行了三维坐标和产状测量，对每件石制品单独装袋以防止相互摩擦、碰损。对每个探方、每个水平层的废弃土单独过筛，防止微小标本的丢失和不同单元的标本混乱，并对一些重点探方和部位的废弃土进行浮选，以提取植物种子等材料。在发掘期间及时对标本进行整理、对野外测量数据进行计算机录入和分析。这一精密完整的科研方法为我国今后的考古发掘研究提供了宝贵的实践经验。
在社会文化方面的价值。水洞沟遗址蕴含着独特的文化内涵，凝聚了古人类对事物本质和规律的认识和利用，是人类连接过去和现在的桥梁，因而水洞沟遗址是华夏民族从远古到当代博大精深的人类文明发展史的重要组成部分，体现着中华民族辉煌史前文明，在很大的程度上促进了当地文化事业的发展。多个地点和地层中用火遗迹和与之相关的生活遗迹的发现，为研究当时水洞沟人的生存状况和行为方式提供了重要的证据。另外，水洞沟遗址及有关环境遗产是历史发展、环境演变或者说是人与自然关系的忠实记录，不仅是考古学研究的对象，而且是经济、政治、文化、环境等领域间接和直接的研究对象，还是经济建设、社会进步、生态恢复的重要借鉴。水洞沟遗址所蕴含的独特的旧石器文化在爱国主义教育方面也发挥出激发民族自豪感，提高民族自信心、进行爱国主义教育的良好课堂，是爱国主义和精神文明建设的重要基地。我们还应该认识到遗产对提高国民的科学文化素质，陶冶情操、活跃文化生活等都是不可或缺的。同时水洞沟遗址还是重要的环境遗产和观光旅游资源。对这一宝贵的历史文化旅游资源的合理开发利用，一方面能够使得水洞沟遗址得到有效的保护，使其实现可持续发展；另一方面又可以通过旅游资源的开发从而带动当地及其周边地区经济的发展，为地区经济的健康发展作出重要的贡献。
水洞沟遗址是以典型的第四纪地质演变和中国史前人类活动旧石器遗址相互交织，“中西方文化交流中不断迸发出火花的闪光点”的古文化遗址之一，即我国最早完整科学发掘的古人类旧石器文化遗址之一；发掘数量最多，品种最为丰富的旧石器时代遗存之一；蕴含最为深厚的旧石器文化，是中、西方文化不断交流的结果。水洞沟遗址具有的第四纪标准的地层剖面，为研究古人类生存生态环境的演变和人类进化提供了科学依据，同时旧石器考古研究也为第四纪环境演变提供了参考的依据。