Som professor i arkeologi ved University of California, Los Angeles, fra 1963 til 1989 ledet Gimbutas flere betydelige utgravninger av neolittiske funn i sørøstlige Europa mellom 1967 og 1980, inkludert i Sitagroi og det neolittiske funnstedet Achilleion i Thessalia i Hellas. Ved å grave gjennom kulturlag som representerte en tidsepoke før samtidige beregninger av den neolittiske bosetningen av Europa – hvor andre arkeologer ikke hadde forventet å finne ytterligere funn – avdekket hun en rekke kulturobjekter fra dagligliv og religiøse kulter som hun forsket på og dokumenterte resten av karrieren.