“北京人”第一头盖骨的发现，是人类发展史研究的一个里程碑。这一发现解决了“爪哇人”发现后关于猿人是猿还是人的争论，确认猿人代表了人类进化中的重要阶段，为人类正确认识自己的由来和历史做出了巨大的贡献，被学术界誉为“古人类研究史中最为动人的发现之一”。
从1929年起，“北京人”遗址的发掘工作由裴文中负责。12月2日，下午４点多钟，已经日落西山；北风习习吹来，使人感觉寒冷。但为了在本年工作结束前能多找到一些化石，仍然在紧张地工作着。由于工作面小，运土的办法是最原始的，用绳子一筐一筐地拉上来，然后再用人工一筐一筐地抬出洞外。据技术指导王存义说：因为天气寒冷，又接近收工的时候，周围是静悄悄的，突然，裴文中大声叫起来：“这是什么？是人头！”
话音刚落，发掘的几个人就围拢来伸头向下观望，因为这是大家盼望已久的东西。有人提议，立即把它挖出来，但也有人反对，认为天色已晚，最好等明天再挖，免得弄坏，它已在里面呆了几十万年，哪里还在乎十几个小时呢？裴文中考虑再三，生怕出现意外，最后决定当天晚上就把它挖出来。头骨化石，一半埋在松土中，一半埋在硬土中，把周围的土掏空，裴文中用撬棍轻轻地把它撬下来，头骨的一部分虽然由于些微震动而破裂开来，不免使他心中后悔，可是他也借这个机会看到头骨的厚度和脑面构造，又多少有了一点安慰。其实它有点破裂，并未使后来的研究受到任何影响，黏接后很完整。
裴文中在12月6日把头盖骨送到北平。头盖骨挖出来很潮湿，一碰就碎，在他送往北平之前还得进行处理。裴文中、王存义、乔德瑞三人，日以继夜地生上火盆烘烤它，干了之后，又用水糊上几层棉纸，厚厚的，又糊上石膏加麻袋片，然后再放在火盆旁边烤。裴文中看见外面的石膏既干又坚固了，就把它裹在行李中──用他的两床旧棉被先包起来，外面再用褥子毯子与普通行李一样捆好。
“北京人”头盖骨相当完整，为研究人类进化提供了宝贵的资料。他既具有人的性质，又保留了古猿的特征。他头骨构造像人，尽管是8～9岁的幼年男性，脑量却已有915毫升，远超过所有古猿和近代大猿的脑量。但他也有与现代人不同的特点，头骨像馒头形，而不像现代人近似球形，眉脊粗壮，像屋檐凸出于眼眶的上方，前额低平，头骨壁比现代人厚一倍。这些都与其祖先古猿相近。
发掘出的“北京人”化石起初一直保存在北京协和医院。
1937年卢沟桥事变后，日本军队侵占了北京，但当时协和医院是美国的机构，悬挂星条旗，侵华日军铁蹄一时不敢踏入。这时，“北京人”化石在这个“保险箱”里还安然无恙。到了1941年，日美关系越来越紧张，为了使“北京人”化石不被日军抢走，协和医院与重庆政府协商后，决定把化石送到美国暂时保管。
“头盖骨”转移行动按计划开始，由美国海军陆战队护卫，乘北平到秦皇岛的专列到达秦皇岛港，在那里登“哈德逊总统号”轮船，预定12月8日抵秦皇岛。8日上午，列车抵达秦皇岛。此时，日本对珍珠港的空袭已经开始，随即，驻在秦皇岛山海关一带的日军突然袭击美军，美海军陆战队的列车和军事人员都成了日军的俘虏，包括“北京人”在内的物资和行李当然成为日军的战利品，从此不见踪影。留下了一桩至今难解的历史悬案。
