1963年，当发掘到距地表深约6米的沙砾层时，竟然在不同的部位发现了两件经过人工磨制的石斧。这使参加发掘的人员十分震惊。此前，无论是德日进所公布的研究成果抑或是学术界的共同看法，普遍认为水洞沟遗址是一个单一的旧石器时代文化遗址。这次发掘发现了磨光的石器和石磨盘，第一次明确了水洞沟不是单一的旧石器时代文化遗址，而是包含了旧石器时代和新石器时代两个不同时代的遗存。让人震惊的还有，发现了密集分布的刮削器、石核、磨石、石叶、砍斫器等石制品，进一步肯定了水洞沟遗址的地层可分为晚更新世和全新世早期两个时期；这些石制品中存在大量的有意识截断的石叶，是用来合成镶嵌工具的“刀片”，这种认识在国内已发表的旧石器文化遗址发掘报告中似乎未曾见到过。
在现代水洞沟遗址的发掘中，文化遗物除石制品、动物碎骨外，大量精美的鸵鸟蛋皮装饰品的出现，使人们眼前一亮。这些用鸵鸟蛋皮制成的环状装饰品完整、残缺、成品、半成品各种类型都有发现。它们外观小巧、规范；制作技术琢制、磨制、钻孔相结合；其中有的饰品表面还被染成红色。据测算，其出现时代应在2.6万～2.8万年之间。它们是目前在中国发现的旧石器时代同类遗物中制作最为精美的装饰品，极大地丰富了水洞沟文化的内涵，为研究当时人类的生产力水平、行为模式和审美能力，提供了重要的信息。
除水洞沟外，鸵鸟蛋皮在我区其他地方，如中卫、青铜峡、惠农等地的地表浅层也发现过，但它们都是未经加工过的。而旧石器时代的水洞沟文化中，古人类能将鸵鸟蛋皮加工为一种精美的装饰品，则反映了当时人类的审美情趣。
水洞沟遗址中发现的鸵鸟蛋皮装饰品反映出当时人类掌握的器物加工制作技术已比较完备。表明古人类掌握了钻孔、磨制技术的旧石器遗址在中国有若干，如山顶洞人用小动物的肢骨制成的骨管、东南沿海一带旧石器时代遗址中发现的用蚌壳等海生软体动物的壳制作的器物，还有其他旧石器遗址中发现的角制品，都使用了钻孔、磨制技术，但它们的出现时间都不足1.9万年，而距今2.6万年，具备打磨、钻、甚至涂彩工艺的装饰品，除水洞沟外未发现全国其他地方有。
对水洞沟的考古发掘中，共发现了80多枚鸵鸟蛋皮制成的饰品。它们都很小，中间钻孔，单面磨平，四周呈环状，直径在0.5～0.9厘米，多数直径为0.6～0.8厘米，其中一少部分用赤铁矿（可能也有黏土岩的成分）涂上了红色。
鸵鸟蛋皮饰品在水洞沟1963年的考古发掘中曾发现过一枚，但不完整，考古专家们无法断定它是原生的还是次生的，因而未做深层研究。2000年后在水洞沟发现的这些鸵鸟蛋皮饰品出自3个层次，分别为水洞沟第二、第八、第七层位，属3个未扰乱的恒定的层位。由于要对其进行更深入的研究，这些标本目前保存在中科院的标本库中。
生活在水洞沟一带的古人类能将鸵鸟蛋皮制成精美的装饰品，说明当时水洞沟一带活跃着大量的鸵鸟。鸵鸟是目前世界上最大的鸟类，虽然现代的野生鸵鸟发源于非洲的一些干旱地区（如南非、东非、索马利、撒哈拉沙漠等），但据研究，2万多年前，在今天的中国北方西部、俄罗斯南部、西亚、中亚都分布有大量的鸵鸟。据区内外地质及考古工作者分析，二三万年前，水洞沟一带属温暖的干旱、半干旱环境，气温较低，地面上分布着串珠状的湖泊，湖泊周围水草丰美。
在1980年对水洞沟遗址的发掘中，首次系统采集了孢粉、C14、热发光等测试样品。经研究后认为，孢粉组合的特征是以小灌木及草本花粉中的蒿、藜、麻黄和木本花粉中的云杉、松、白刺为主，充分体现了荒漠草原的特色。尤其是云杉花粉的较多出现，标志着冷湿的气候环境。在这样的气候条件下，水洞沟一带适宜鸵鸟繁衍生息。
借用考古学家裴文中先生的话，可对鸵鸟生息的旧石器时代水洞沟的古地理环境如是描述：周围高高低低的山丘上，生长着密布朴树、紫荆的丛林，附近有一条宽阔的河流，河的近旁有水草丛生的沼泽，沼泽的一面是广阔的平原，平原上有草地，也有干旱的沙地。在干旱多沙的地方有骆驼和鸵鸟在行走。由于自然环境的变迁和人类活动的影响，分布在中国西部的鸵鸟种群在距今5000年前最终走向消亡。
其他典型的旧石器装饰品在旧石器时代晚期的山顶洞文化中出土了一部分典型装饰品。人们在山顶洞文化中所观察到的最进步的技术表现在7件石珠上，它们是在研究室中修理第102号人头骨时从附着于头骨的土中发现的。这7件石珠用白色钙制岩石作成，差不多大小，但形状各异。据判断，它们都是用同样的工具，即磨和钻制作的，因为所有石珠紧挨着头骨，无疑它们被用作头饰，原来串在一根用某种东西做的带子上。山顶洞人遗址还发现了一件穿孔的小砾石，砾石的穿孔大而浅，制作欠佳，表明还缺乏熟练的技巧。穿孔的牙齿是山顶洞发现的最多、最具有特征的装饰品。此外，还有骨坠、穿孔的蚧壳。
山顶洞文化发现的装饰品种类虽然比水洞沟多，但它们的出现时间晚，不足1.9万年，制作技术也达不到水洞沟鸵鸟蛋皮饰品精湛程度。