新世纪以来的钻探与发掘结果表明，二里头遗址沿古伊洛河北岸呈西北—东南向分布，东西最长约2400米，南北最宽约1900米，北部为今洛河冲毁，现存面积约300万平方米，估计原聚落面积应在400万平方米左右。
其中心区位于遗址东南部的微高地，分布着宫殿区和宫城（晚期）、祭祀区、围垣作坊区和若干贵族聚居区等重要遗存；西部地势略低，为一般性居住活动区，常见小型地面式和半地穴式房基以及随葬品以陶器为主的小型墓葬。
一期
二里头文化第一期遗存在遗址中东部区域有广泛的分布，文化堆积范围逾100万平方米。由于破坏严重，它究竟属于一个大型聚落抑或是由数个聚落组成的大遗址群，尚不得而知。这一时期的遗存已显现出不同于嵩山周围同时期一般聚落的规模和分布密度。
遗存中已有青铜工具、象牙器、绿松石器等规格较高的器物和刻划符号发现。此期的二里头遗址很可能已是较大区域内的中心聚落。从聚落时空演变的角度看，作为二里头文化中心聚落的二里头在伊洛平原的出现具有突发性，而没有源自当地的聚落发展的基础。如此迅速的人口集中只能解释为来自周边地区的人口迁徙。
二期
从第二期开始，二里头都邑进入了全面兴盛的阶段，其城市规划的大的格局已基本完成。中心区由宫殿区、围垣作坊区、祭祀活动区和若干贵族聚居区组成，这一时期的遗存开始遍布现存300万平方米的遗址范围。新的发掘结果表明，宫殿区在此期已得到全面开发。
其中，3号、5号基址所代表的大型多进院落宫室建筑群开始营建，院内开始埋入贵族墓；该区域的外围垂直相交的大路已全面使用。官营作坊区兴建了围墙并开始生产铜器，可能还有绿松石器。
从判定考古学文化最重要的元素——陶器上看，具有二里头文化特色的陶器群形成于二里头文化第二期。作为东亚历史上最早的核心文化，在文化因素上取大范围吸收、大规模辐射之势的二里头文化，也是始于二里头文化第二期的。自二里头文化第二期始，二里头文化向北越过黄河，向东、西方向也有所推进，而向南推进的力度最大。
公元前1750年左右，二里头文化的居民开始在此营建大型聚落。二里头文化一期时的聚落面积就超过了100万平方米，已发展成伊洛地区乃至更大区域的中心。如此迅速的人口集中应为来自周边地区的人口迁徙。这一时期的出土遗物包括贵族用器，如白陶、象牙和绿松石制品，以及青铜工具，但由于晚期遗存对该期堆积的严重破坏，聚落的布局尚不清楚。
宫殿区的面积不小于12万平方米，其外围有垂直相交的大道，晚期筑有宫城。大型宫殿建筑基址仅见于这一区域。贵族聚居区位于宫城周围。中小型夯土建筑基址和贵族墓葬主要发现于这些区域。其中宫城东北和宫城以北，是贵族墓葬最为集中的两个区域。
绿松石器制造作坊和铸铜作坊都位于宫殿区以南，已发现了夯土墙。这一有围墙圈护的作坊区应是二里头都邑的官营手工业区。祭祀活动区位于宫殿区以北和西北一带，东西连绵约二三百米。这里集中分布着一些可能与宗教祭祀有关的建筑、墓葬和其他遗迹。
都邑主干道网位于宫殿区的外围。已发现的四条大路垂直相交，略呈井字形，显现出方正规矩的布局。保存最好的宫殿区东侧大路已知长度近700米。大路一般宽10余米，最宽处达20米。这几条大道的使用时间均较长，由二里头文化早期沿用至最晚期。这是迄今所知我国最早的城市道路网。
这一庞大的中心城市最终在二里冈文化晚期沦为一般聚落，遗存仅见小型房址、灰坑、墓葬等，它们叠压或打破了二里头文化的宫殿基址。此后，聚落彻底废毁。
二里头都邑的中心区分布着宫城和大型宫殿建筑群，其外围有主干道网连接交通，同时分割出不同的功能区。制造贵族奢侈品的官营手工业作坊区位于宫殿区的近旁；祭祀区、贵族聚居区都拱卫在其周围。上述种种，无不显示出其王都所特有的气派。由上述发现可知，二里头遗址是迄今可以确认的最早的具有明确规划的都邑。就现阶段的认识而言，二里头遗址的布局开中国古代都城规划制度的先河。
三期
二里头文化第三期持续着第二期以来的繁荣。总体布局基本上一仍其旧，道路网、宫殿区、围垣作坊区及铸铜作坊等重要遗存的位置和规模几同以往。但与前一期相比，这一阶段的遗存也出现了若干显著变化，值得关注。首先是在宫殿区大路上偏内侧增筑了宫城城墙，宫城城墙围起的面积超过10万平方米。一大批大中型夯土建筑基址兴建于此期。
在宫城南大门中轴线上，兴建起了面积达1万平方米的1号基址。宫城东部，二里头文化第二期时由前后相连的多重院落组成的3号、5号基址已废毁。这一区域有一个宫室建筑和使用的空置期，前后约数十年的时间，原来的3号基址的遗墟上散布着小型房址和灰坑等。新建的2号、4号基址另起炉灶，采用单体建筑纵向排列，压在被夯填起来的3号基址的原址上。
其中2号基址的主殿和部分院落，是在填平夯实3号基址北院内的大型池状遗迹的基础上建成的。两个时期的建筑格局大变，同时又基本上保持着统一的建筑方向和建筑规划轴线，是颇耐人寻味的。
随着宫城城墙与一批新的大型建筑基址的兴建，宫城内的日常生活遗迹，如水井、窖穴等在数量上显著减少。这一现象似乎昭示了宫殿区功能的变化。在围垣作坊区的北部，一处面积不小于1000平方米的区域被用作绿松石器的生产。
与此同时，铸铜作坊开始生产作为礼器的青铜容器。除了青铜礼器，贵族墓中也开始随葬大型玉礼器，其奢华程度较二里头文化第二期又上了一个台阶。联系到大型宫室的营建，有学者认为真正的“朝廷”与“宫廷礼仪”应是发端于此期的。
