旧石器时代的主要特征是人类只能掌握以石头敲击石头的简单方法制造劳动工具，时间大约是300多万年至一万年前。我国发现最早的旧石器时代文化是云南的元谋人（约170万年前），最晚的是北京的山顶洞人（1.8万年前）。旧石器时代根据工具的制造技术又分为早、中、晚三个时期，宁夏至今尚未发现旧石器时代早期文化遗存。1919年，由比利时神父P·绍（肯）特和法国古生物学家德日进、桑志华、步日耶等人，在今银川市东部黄河东岸所发现的水洞沟文化遗址存，为距今三万年左右的旧石器晚期文化遗址。他们的发现与研究证明国外学者认为中国没有旧石器文化的论断是错误的，而水洞沟就是“宁夏人”最早生活、劳动、繁衍的家园。
新中国成立以后，我国著名考古学家裴文中、贾兰坡和宁夏文物专家又多次对遗址进行过深入发掘，前后揭示了六个文化层，出土文物5500多件。根据C14测定和孢粉分析，水洞沟文物基本处在距今2.4万～3万年的范围内。所发现石器的原料以白云岩为主，一般多使用直接打击法制作而成，大型居多。主要有尖状器、端刮器、新月形刮削器、凹缺刮削器、单面直刃刮削器、短形刮削器、“刀片”、雕刻器、钻具等；小型石器数量较少，以拇指盖状的刮削器、钻具和箭头为代表。这些石器，是我国旧石器时代晚期石器工业的典型代表，具有明显的欧洲旧石器技术风格，为我国众多旧石器晚期文化所罕见。另外还发现有用动物骨片刮磨成的骨椎和用驼鸟蛋壳穿孔而制成的圆形装饰品。装饰品的出土，是旧石器晚期国内考古的首次发现，也表明当时宁夏这支先民已在精神生活方面产生了对艺术的追求，具有原始的审美意识。
最有意义的是“复合工具”，即把石器、骨器与木器进行捆绑组合使用的工具，不仅说明当时人类已熟练掌握了打制技术，同时也有了磨制技术的萌芽。这些石器及装饰品制作技术的先进和所使工具的精良，是我国已发掘的旧石器时代中晚期文化所无法比拟的，在人类工艺发展史上更是一个划时代的重大进步。遗址中还发现大量灰烬，说明水洞沟人已经摆脱了“茹毛饮血”而进入熟食阶段。
水洞沟文化遗址是集旧石器晚期遗址、古窑址、古城堡、明长城和大漠黄河等为一体的古文化精品荟萃区。不仅迄今为止是黄河上游地区经过正式发掘的唯一旧石器时代遗址，也是宁夏境内目前发现最早的古人类活动遗址，对研究中华民族古老文化的起源有着重要的科学价值。与水洞沟文化遗址基本属于同一时期、石器类型相似的遗址，在彭阳县岭儿、刘河，灵武市横城堡及石嘴山市境内也有发现。