השלב הראשון שבו עוסק הארכאולוג הוא "שאלת המחקר", מהי מטרת המחקר. איזה מידע הוא רוצה לגלות. הארכאולוג מתעניין בתחום מסוים ורוצה לקבל תשובות לשאלותיו, הדבר דומה לשלבי "פיתוח ההשערה" וה"תחזית" בשיטה המדעית כשהחפירה עצמה היא הניסוי. חלק מהשאלות צצו בחפירות ארכאולוגיות קודמות שנעשו באתרים אחרים. אחת האפשרויות העומדות בפני הארכאולוג הוא לחפור אתר חדש שלא נחפר קודם, או לחפור שטח חדש באתר שכבר נחפר. בחירת האתר הספציפי נעשית על פי נתונים שהתקבלו מסקרים ארכאולוגים שנעשו לפני כן, כדוגמת סקר הר מנשה. החפירה הארכאולוגית אינה מטרה בפני עצמה, אלא היא חלק ממכלול המידע העומד לרשות הארכאולוג במחקר אותו הוא עורך.
סקר ארכאולוגי באתר שנבחר.
לאחר שהוגדרה שאלת המחקר, והארכאולוג החליט לחפור אתר חדש, עליו להחליט היכן לחפור באתר שנבחר. פעמים רבות השטח גדול מאוד והתקציב של הארכאולוג מוגבל, ולכן חשוב שיאתר את השטח שיענה מהר ככל האפשר לשאלת המחקר שלו. לשם כך עליו לבצע סקר ארכאולוגי.
האזור שנחקר מחולק למשבצות הנסקרות באופן שיטתי על ידי חוליית הסקר. הסוקרים עוברים ברגל ומתעדים את הממצאים על פני השטח כגון: קירות, חרסים, מטבעות, שברי כלי זכוכית ועוד. שינויים טופוגרפיים על פני השטח או התל עשויים לתת רמז נוסף לחופר. שקע בשולי התל, למשל, עשוי לתת רמז על קיומו של שער בחומה. כל המידע שנאסף ותועד מעובד לאחר מכן והוא הבסיס להחלטת הארכאולוג היכן להתחיל לחפור בשטח שנבחר. ההחלטה של הארכאולוג לחפור באזור מסוים באתר היא בסופו של דבר השערה מלומדת. פעמים רבות המקריות מביאה לתגליות חשובות לדוגמה: בתל לכיש נתגלה מקדש כנעני מחוץ לחומות בעת הכנת השטח שבו התכוונו החופרים לשפוך את העפר שנופה.
התארגנות לחפירה.
לאחר שהארכאולוג החליט לבצע חפירה ארכאולוגית עליו לארגן את החפירה. ההתארגנות כוללת הכנת תקציב חפירה שבו יש לפרט את כל הוצאות החפירה כגון: מנהלי שטחים, חופרים, לוגיסטיקה, ציוד חפירה, כלי רכב, מקומות לינה לחופרים, מזון, עיבוד החומר הנחפר, שימור ועוד. במקביל לפירוט ההוצאות על הארכאולוג גם להשיג את מקורות המימון לחפירה.
רישיון חפירה.
כדי לחפור באתר מסוים על הארכאולוג לקבל רישיון חפירה. בישראל שבתחום הקו הירוק וברמת הגולן הרישיון ניתן על ידי רשות העתיקות. הרישיון שבשטחים האחרים (שטחי יהודה ושומרון ועד שנת 2005 גם ברצועת עזה) ניתן על ידי קצין המטה לארכאולוגיה הפועל במסגרת המנהל האזרחי לפי החוקים הנהוגים בשטחים אלה. הרישיון ניתן מתוקף חוק העתיקות, התשל"ח-1978.
רישיון החפירה כולל את הנתונים הבאים: הארכאולוג האחראי, המוסד האקדמי במסגרתו נעשית החפירה, גורם מממן, שם האתר, נקודות ציון ברשת ישראל, תאריכי חפירה, ועוד. לכל רישיון מצרפים את תוכנית המחקר, מפת האתר עליה מסומנים שטחי החפירה המתוכננים, פירוט תקציבי החפירה ועוד. הרישיון שניתן הוא לשנה אחת בלבד. בכל שנה יש להגיש בקשה מחודשת לרישיון חפירה.
פעולות קדם חפירה.
לאחר בחירת האזור שייחפר באתר, מסמנים אותו ברשת של ריבועים. הריבועים נקבעים על תוכנית האתר. כל האתר מרושת ברשת של קווי אורך ורוחב שמסומנים באותיות (קווי רוחב) ומספרים (קווי אורך). כך גם קל לאתר ריבוע ספציפי, שם הזיהוי מלווה אותו לכל אורך החפירה, לדוגמה: ריבוע A2, F1 וכו'. בישראל נהוג שרשת הריבועים תהיה בגודל של 5X5 מטר (שיטה זאת נקראת "השיטה הישראלית"). החפירה נעשית לפי ריבועי החפירה. באתר קטן יסומן כל השטח בריבועים. הסימון נעשה באמצעות נעיצת יתדות באדמה. ריבועים אלה מהווים בסיס ליחידת החפירה היסודית באתר. באתרים המוגדרים פרהיסטוריים רשת הריבועים קטנה הרבה יותר - נהוג לסמן בה רשת של 1X1 מטר. נעשית מדידה של גובה פני השטח בעזרת מכשיר מדידה מתאים כגון מאזנת או תאודוליט ונקבעת הנקודה שתהיה נקודת הבנצ'מרק. הנקודה שעליה יוצב מכשיר מדידת הגובה והוא יהיה נקודת ההתייחסות בכל מדידה של גובה השטח בריבועי הפירה.
הארכאולוג בוחר מתוך הריבועים שסומנו את הריבועים בהם יחל לחפור, מחלק את החופרים לקבוצות ולכל קבוצה ממנה חופר מנוסה יותר המשמש כמנהל השטח הספציפי. לעיתים יחליט הארכאולוג להתחיל לחפור בו זמנית בשני שטחים שונים באתר. כל שטח מקבל שם שהוא שם הזיהוי שלו בכל החפירה כגון שטח A, שטח B.
בשלב ראשון מודדים את גובה פני השטח של הריבוע הנחפר. לעיתים קרובות השטח אינו אופקי והמדידה נעשית במרכז הריבוע כנקודת גובה מייצגת של הריבוע. לאחר מכן מבצעים ניקוי פני שטח. כל הממצאים הנאספים על פני השטח מקבלים מספר של לוקוס הנקרא לוקוס פני שטח.
כל שטח חפירה מקבל סדרת מספרי לוקוסים (התוך, בנק הלוקוסים"). רצוי להתחיל עם סדרות של מספרים שיאפשרו גמישות והוספת לוקוסים. לדוגמה אם באתר נחפרים בו זמנית שני שטחים שטח A ושטח B מספרי הלוקוסים בשטח A יחלו ממספר 1000 ומספרי הלוקוסים בשטח B יחלו ממספר 2000. מספרי הלוקוסים ניתנים כמספרים עוקבים, המרווח תלוי בכמות הלוקוסים שהארכאולוג מצפה לפתוח ובגודל השטח. יחידת המדידה הקטנה ביותר של הממצאים בחפירה היא הסל. הסל הוא דלי המקבל מספר הקשור למספר הלוקוס. לכל לוקוס יש סל נפרד, בכל יום נפתח סל חדש שלתוכו מכניסים את כל הממצאים שנמצאו בלוקוס הנחפר. בסיום יום החפירה הסל נלקח מאזור החפירה ומועבר להמשך טיפול.
לכל שטח חפירה מנוהל גם יומן סלים. את יומן הסלים מכינים מראש. זהו טופס המנוהל ברמה יומית המכיל את הפרטים הרלוונטיים לתעוד החפירה והוא התעוד הבסיסי. הטופס כולל את שם האתר, מספר הרישיון, שם השטח, תאריך החפירה ושם מנהל השטח המנהל את היומן. בנוסף מכיל הטופס את מספר הסל, מספר הלוקוס, מספר הריבוע מפלס גובה פתיחה וסגירה של יום החפירה וכן תיאור גרפי של הממצאים בלוקוס. דוגמה לתיאור גרפי: עפר חום בהיר תחוח, מספר אבני גזית נפולות. לכל לוקוס יכולים להיות מספר סלים.
בתל ארכאולוגי שטרם נחפר ושרצף השכבות בו אינו ידוע תחל לרוב החפירה בביצוע חתך בשולי התל. מהחתך ניתן ללמוד על רצף השכבות מפני השטח ועד לסלע האם. חתך זה יכול לתת לארכאולוג מידע מוקדם שיאפשר לו לבחור טוב יותר את הריבועים שבהם יחפור.
פעולת החפירה.
בעת חפירת הריבוע משאירים מחיצה של 0.5 מטר בין הריבועים, כך שהשטח נטו שנחפר בריבוע הוא 4.5X4.5 מטר. השארת המחיצה יוצרת חתך ארכאולוגי המאפשרת לזהות ביתר קלות שינויים בצבע העפר ומקלה על קביעת הסטרטיגרפיה. בנוסף השארת המחיצה יוצרת מעבר ברוחב של 1 מטר בין שני ריבועי החפירה.
כל יום חפירה מתחיל בארגון כלי החפירה. מנהל השטח, לאחר דיון עם הארכאולוג האחראי, מחלק את משימות החפירה ומחליט היכן יחפור כל חופר. חשובה הרציפות של החופרים בשטח הנחפר ורצוי שחופר ספציפי ימשיך לחפור באותו ריבוע חפירה ובאותו לוקוס בו חפר ביום הקודם.
כל חופר מקבל סל אליו מוצמד כרטיס. על גבי הכרטיס נרשם מספר הסל, מספר הלוקוס, מספר הריבוע וכן גובה שטח הלוקוס בתחילת יום החפירה (שהוא גובה סיום החפירה ביום הקודם). בנוסף החופר מקבל מספר דליים אליהם הוא אוסף את העפר והאבנים המיועדים לפינוי מהשטח שנחפר.
החפירה נעשית בכלים שונים, בהתאם למצב השטח ובהחלטת מנהל השטח. בעת פתיחת שטח חדש החפירה נעשית בעיקר במכושים, ככל שהכלים גדולים וכבדים יותר החפירה מהירה וגסה יותר, והיא יכולה לגרום לכך שהחופר לא יזהה שינויים בצבע העפר. בימי קדם היו עשויות רצפות הבתים בדרך כלל מעפר שהודק ברגליים. חפירה מהירה מדי עלולה לגרום לכך שחופר יחפור דרך הרצפה ועל יד כך יערבב בין ממצאים כגון: חרסים, מטבעות, עצמות ועוד שהיו מעל הרצפה שהיוותה את "שכבת החיים" בבית באותה תקופה עם ממצאים ששיכים לתקופה קודמת. הכלים העיקריים בהם משתמש החופר כוללים כלי עבודה גדולים כגון מכושים, טוריות ומריצות וכן כלים קטנים יותר כגון: מכושונים, כפות בנאים, מטאטאי קש גסים, ומטאטאי שערות עדינים. לעיתים משתמשים גם בדקר, מברשת צבע ויעה לאיסוף העפר. בחפירה מאוד עדינה (במיוחד בחפירה פרהיסטורית) גם בכלים דנטליים של רופא שיניים.
בתחילת החפירה נקבע שטח מחוץ לאזור שנקבע לחפירה אליו שופכים את העפר שנאסף בתוך החפירה וכן את האבנים המוצאות מהשטח. החפירה מתנהלת בצורה מפולסת. בני אדם חיים על משטח אופקי המהווה רצפה שהיא "מפלס חיים". זהו השטח שבו פעלו והתקיימו בני אדם ברגע נתון. על מפלס החיים ניתן למצוא עקבות לפעילות אנושית כגון שרידי מזון, מוקדי אש בצורת פיח, חרסים שונים ועוד. כדי לא לערבב בין המכלולים השונים ובין מפלסי החיים של תקופות שונות מקפידים על חפירה מפולסת.
החופר אוסף את הממצאים ל"סל" ואת העפר והאבנים מסלק מהשטח. כבר בעת הכנסה לסל נעשית הפרדה בין סוגי ממצאים שונים. החרסים מוכנסים ישירות לתחתית הסל, ואילו עצמות בעלי חיים מופרדות ומוכנסות בשקית פלסטיק נפרדת המוצמדת לסל. על החופר להקפיד לשמור על ניקיון השטח. כל סילוק עפר מלווה בפעולת טאטוא של השטח. ההקפדה על כך תאפשר לחופר לזהות ולהבחין בכל שינוי שחל בצבע העפר. שינוי זה יכול להצביע אולי על מפלס חיים חדש או במקרה של עפר בצבע אפור על חורבן הנובע משריפה ועוד. פעולת הטאטוא היא בעצמה פעולת חפירה כי היא מסירה עפר. לעיתים קרובות בעת פעולת הטאטוא מתגלה ממצא שלא נתגלה לפני כן, לעיתים מדובר בממצא חשוב ושלם. גילוי הממצא בשלב זה לפני שהוא הוסר בחפירה גסה יותר מאפשרת לתעד במדויק את מקומו למדוד את גובה פני השטח שבו נמצא לצלם ולתעד את הפרטים המדויקים של הממצא הספציפי.