一九二九年春，李济主持的第二次殷墟发掘开始了。
正如发掘组新的名字一样，这次发掘明确把殷墟作为发掘对象，而不是单纯地挖掘甲骨，考古方式和工作原则发生了质的变化。
发掘之初，李济就提出考古不能有挖宝思想，“一切的原始材料，只要能体现人类的活动，哪怕是残陶碎骨，只要是经过有计划的科学方式采集得来的，就能显现真正的学术价值”。
这次挖掘中，李济提出了“科学”的考古概念：“科学的考古必须具有五个条件——必须有问题、必须有方法、记载必须精确、必须成见、必须有耐心。”
在工作中，李济聘用了专业的测量员对遗址进行了测绘，以便更准确地描绘出以小屯为中心的详细地图。
他又在遗址内的若干地点以挖深沟的方法进行挖掘，主要的目的是要清楚地了解地层下地表的情况，以便找到甲骨堆积的特征。
此外，他还系统地记录和登记了每件遗物的确切出土地点、时间、周围的堆积情况和层次等等。
每个参加挖掘的工作人员也坚持写关于个人观察以及田野工作中发生情况的“工作日记”。
同时，李济给大家立下规矩，“一切出土物全属国家财产，考古队同人自己决不购买、收藏古物”，这成为所有中国考古人心中最神圣的戒律、底线。“考古不收藏，收藏不考古”至今仍是衡量一名考古人的最基本的标尺。
第二次发掘，从一九二九年三月七日至五月十日日，分村北、村南、村中三个发掘点，共开三米长一点五米宽的探坑四十三个。发掘出甲骨文740片、还有大量陶器、兽器、陶范、铜器及石器。同时对村南、村中和村北的麦地、棉田进行了地下情况调查。
挖掘结束后，他们把大量的出土物装箱包好，运到北京。
自一八九九年甲骨发现以来，疯狂盗掘已让殷墟千疮百孔，但谁也不会留心、收集与甲骨一起出土的“残陶碎骨”，更不要说那些挖出去的不同颜色的土层。只有受过人类学、考古学专门训练的学者，才会把注意力集中到这些没有经济价值的“边角料”上。
李济撰写的第一篇殷墟考古的论文《小屯地面下情形分析初步，关注的就是土。论文首次提到了“地层学”的观点。他根据考古过程中的发现和记录，认为殷墟的地下堆积分为三层：最深层是殷商时期的文化堆积；覆盖其上的是分散众多的隋唐墓葬；最上面的是现代堆积层。
殷墟第二次发掘中，李济与董作宾不同，不仅要寻找甲骨，更要搜集所有的其他文物；不仅要发掘文物，更希望考察地层的分布和特点，找到历史演变的潜在线索。
几年前在西阴村摸索出的“三点记载法”和“层叠记载法”，有了新的用武之地。
自此，殷墟发掘逐渐形成了由点到线到面再到整体的方法，并为中国各地遗址考察树立了典范。
李济也非常强调测绘的重要性，于是，地质调查所派出王庆昌和裴文中来到安阳。两个年轻人都毕业于北京大学地质系，这次绘制的地图比第一次发掘时进步了许多。
王庆昌还首创性地用线条来表示深度，为日后殷墟的测绘提供了参照。
二十五岁的裴文中这一次只能给王庆昌做助手。不过，离开安阳几个月后，他将在周口店发掘出第一个“北京人”的头骨，从此扬名世界。
第一次发掘时，董作宾发现了人类的头骨，但他觉得考古队冒犯了死者，于是把它们重新掩埋起来。
在李济眼中，这些头骨却有着特殊的意义。在哈佛大学读书时，他的老师虎藤（tn）就要求学生必须深入了解人类骨骼的特性，能够根据碎骨片做出判断。一九二一年夏天，李济曾帮助虎藤清理过五百个埃及人头骨，与它们朝夕相处，每天洗刷，整理。而殷墟中的遗骸，复活了他那段久违的记忆。
大师就是大师，李济一直保持着开放的姿态，乐于和其他学科的专家合作研究。一九二九年，中央研究院地质研究所的李毅，就应邀对殷墟出土的白陶、硬陶和灰陶标本进行了化学成分的实验分析。
两年后，英国皇家科学工业学院的哈罗德教授收到了李济寄出的四件铜器标本，并进行了检验。地质调查所新生代研究室的杨钟健和德日进则应李济之邀，对殷墟出土的动物遗骸进行了深入的研究。他们鉴定出二十四种动物，最令人惊讶的是，殷墟甚至有鲸、象、貘的遗骨，由此可见，虽然末代都城地处内陆，殷商王朝其实与南方沿海地区存在着广泛的贸易往来。
毫疑问，殷墟考古更加奠定了李济中国考古学之父的地位。
董作宾亦是殷墟考古自始至终的核心人物，他直接参与、主持的发掘就有八次。而作为甲骨文研究的著名专家、“甲骨四堂”之一，他最大的成就当然体现在其甲骨学研究上。
董作宾最值得敬仰的研究成果当属《甲骨文断代研究例及《殷历谱。前者完成于殷墟发掘期间（1933年），提出甲骨断代研究的十项标准，把甲骨分为五期。从此甲骨学研究有了精准的年代学依据。
这样的成就，用他自己的话说，是“从地下挖出来的”——也就是科学考古的成果。