1950年代，美国学者在研究四川万县盐井沟动物群时，发现多种哺乳动物在体型上都比现代种类大，当时中外学者都用博格曼定律加以解释，认为第四纪哺乳动物体型增大是由于气候寒冷的缘故。裴文中于1960年代发表了两篇文章，根据自己的研究实践和北美、欧洲、广西巨猿洞以及其他洞穴哺乳动物的情况，指出博格曼定律并不是绝对的。他列举了大熊猫、貘、豺以及巨猿的例子，说明在更新世初期和中期都有体型增大和减小的种类，同一种动物在第四纪不同时期也有体型大小的区别。它们并非因时代不同、也不是因一个时期气候寒冷或温暖而有体型增大和缩小的变化，对此问题必须另辟蹊径寻找原因。德帕锐（C. Deperet）的“古生物体型增大定律”认为，在每一个古生物的分支中，都是以小的体型开始，以后体型逐渐增大，最后达到最大的体型，然后这一分支就绝灭。裴文中认为这也存在着缺欠。他列举了欧洲地中海诸岛上侏儒象和侏儒河马的例子，将德帕锐的定律修正为：古生物的一个种或一个小分支不是在达到最大体型阶段后绝灭，而是在达到最大体型后体型又缩小，在体型缩小阶段中绝灭。这些研究成果表明他不迷信国外的权威和理论，而是注重独立思考，敢于挑战和创新。
中国旧石器考古学文化体系的雏形是裴文中确立的，而确立这一体系的基地是周口店。在此之前，中国旧石器遗存仅在一个单一时间平面上呈现点状分布。1932年裴文中与德日进发表《周口店中国猿人堆积层的石工业》，在周口店第1地点建立起A、B、C三个文化带，中国旧石器文化纵向体系的第一块基石得以铺垫。其后周口店第13、15地点和山顶洞被发现、发掘和研究，中国旧石器文化发展序列的时代框架被拉开和伸张了。以后更随着元谋、蓝田、丁村、大荔、观音洞、许家窑、峙峪、小南海等一系列遗址的发现，中国旧石器文化体系日渐丰满、日趋完整。
中国旧石器文化的早、中、晚三期演化模式也是裴文中建立起来的。1948年将中国旧石器时代文化的发展序列排列为：早期是周口店第13地点→第1地点→第15地点，中期以包括水洞沟和萨拉乌苏的“河套文化”为代表，晚期为山顶洞。在1965年的文章中，他进一步将中国猿人文化、蓝田猿人文化和匼河文化作为中国旧石器早期的代表，将丁村文化作为旧石器中期的代表，而将萨拉乌苏、水洞沟、山顶洞遗存作为旧石器时代晚期的代表，并增加了以“沙苑文化”为代表的“可能的中石器时代”。这样的分期方案以后虽有微调，但基本框架得以保留并沿用至今。
裴文中在史前考古学方面的开拓和贡献不局限于旧石器时代，在其他阶段的考古研究中亦有诸多开创之功。1935年他在广西武鸣和桂林的4个洞穴中发现大量打制石器和少量磨制石器，伴生动物皆为现生种，于是首次提出中国存在中石器遗存，介于旧石器时代与新石器时代间。1943年他在内蒙古扎赉诺尔调查试掘时，认为该遗址的“扎赉期”和黑龙江顾乡屯遗址的文化遗存属中石器时代。但以后他根据新材料改变了观点，认为中国可能不存在真正的中石器时代遗存。这样他便提出了一个富有自我挑战、自我否定精神的命题，直至今日我国的史前考古学界仍在破解这道命题。
裴文中在中国最早关注细石器研究问题。1940年代末他即在甘肃和青海地区采集过细石器标本并加以报道和描述。其后他开始致力于细石器遗存的综合分析，提出“细石器文化”的概念，主张从西伯利亚到欧洲的细石器文化是连接为一体的，在较晚的时候在长城附近与仰韶文化相接触，形成混合文化。裴文中将细石器遗存作为一个文化和技术体系来看待，而不认为它代表一个考古学时代或人类技术的特定发展阶段，在这一点上后来的一些学者发生了混乱。他对中国细石器遗存源流的研究为后来诸多学者所继承，至今仍是一个研究热点。 裴文中是中国新石器时代考古学的拓荒者之一，尤其在西北地区做了一些开拓性的工作。1947年他在甘肃组织了一次大规模的野外考察，在渭河上游、西汉水流域、洮河流域以及兰州附近的黄河沿岸做过3个多月的调查和试掘，发现遗址93处。1948年他又在甘肃河西走廊、青海湟水流域和青海湖附近做过3个月的考察。当时西北一片乱象，到处是兵勇和流寇，致使考察充满艰辛、险象环生。裴文中以“少将军衔”和当地“老大”的字条为护身符，持握手铲，穿行于破败村镇和荒僻山野间，在残垣断壁上寻觅中华文明的源头。考察收获巨大，他首次记述了该地区的石灰居住面；从陶器类型和地理障碍等方面论证了“仰韶文化西来说”之不科学之处；对甘青地区史前文化之分布、分期和史前时期“丝绸之路”等问题提出了新的认识，命名了“齐家文化”和“沙井文化”。这些发现和研究为建立西北地区的史前史奠定了坚实的基础。
从1940年代起，裴文中便在总结旧石器、中石器和新石器时代考古遗存的基础上进行综合研究，致力于建立中国石器时代考古学体系和远古文化发展史。他的宏篇巨着《史前考古学概论》一稿，洋洋30余万言，不幸于战乱中佚散，仅序论部分得以保存。他根据当时的社会理论和考古材料，将“原始社会”划分为4个时期：自然群时期，相当于旧石器时代初期和中期；“原始氏族社会”时期，相当于旧石器时代晚期至中石器时代；“母系氏族社会”时期，相当于新石器时代；“父系氏族社会”时期，相当于铜器时代。从中可见他视野广阔，注重用考古学的材料来阐释重大的社会问题。
在陶器类型学研究方面裴文中也引领学术之先。他发表于1947年的《中国古代陶鬲及陶鼎之研究》，是我国陶器类型学研究的一篇早期代表性作品。该文配有精美写实的线图，清楚地勾画出新石器至商周时期的陶鬲和陶鼎的特点和演变趋势。中国考古学历来以地层学和类型学为两大法宝，这篇文献无疑是中国考古类型学的奠基作之一。
裴文中还是中国博物馆事业的开拓者之一。1940年10月他在燕京大学筹建“史前陈列馆”，为中国历史类博物馆首创。虽陈列面积仅120平方米 ，但馆中收集的史前古物极为丰富，其中大部分为他在周口店发掘所得，在史前考古学有重要价值。陈列品中还有他从法国带回的欧洲旧石器主要文化期的代表性石器。1945年抗战胜利后他将该馆改名为史前博物馆，对展品进行了整理和补充。1949年新中国成立后，裴文中应国家文物局局长郑振锋的邀请出任该局博物馆处处长，并根据当时的情况提出“暂时维持现状，逐步改造旧博物馆”的工作方针，以后发展成为以改造原有博物馆为主，陈列以自然资源、历史发展和民主建设为主的方针，对发展我国博物馆事业起到指导性作用。1951年中央自然博物馆筹备处成立，裴文中任主任；1952年故宫博物院临时办事处成立，裴文中亦为主任。其后他还筹办了设于厂甸的“从猿到人”展览，筹划了周口店北京猿人博物馆的建设，指导了中国历史博物馆通史陈列的史前展陈规划，1979年被任命为北京自然历史博物馆馆长。
裴文中还是一名卓越的教育家，尤其在史前史和考古教学方面成效卓着，桃李遍地。早在1940年秋即在燕京大学任教，讲授史前考古学，在中国开史前考古教学之先河。1942年他应聘去北京师范大学地质系，1945年回燕京大学历史系任教，讲授“考古学”。1946年又应聘为北京大学教授和中法大学兼职教授。
1952—1955年，文化部社会文化事业管理局、中国科学院考古研究所和北京大学联合举办了4次考古人员训练班（戏称黄埔4期），均以裴文中为班主任。他亲自编写讲义、授课、指导学员田野实习，并承担教学的组织工作，广请当时中国文物考古界和史学界名流为学员讲课。4期训练班共培训336人，对中国考古学和博物馆事业的发展产生了深远的影响。
裴文中还与梁思永、向达共同发起北京大学历史系考古专业的创办工作。1952年11月北大考古教研室成立，裴文中兼任教授，负责石器时代教研组，主讲史前考古学，并组织各门课程教学小组进行教材讨论。为使北大的考古教学能有一个良好的资料和标本条件，他无私地将自己收藏的有关欧洲旧石器考古方面的书籍和珍贵的洞穴壁画图册放置于历史系，供师生们查阅，并将其历尽艰辛从欧洲带回的石器和原始艺术标本的部分典型者捐献给考古专业，为教学提供了极大的方便。这些标本成为日后建立的北京大学考古学系旧石器考古标本室的镇室之宝，今日仍在为学术研究和人才培养发挥着作用。
为解决古人类和旧石器考古方面专门人才的匮乏问题，在裴文中和贾兰坡的组织下，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所从1956年起，数度在周口店举办古人类.旧石器考古田野培训班，学员来自全国各地，使中国旧石器考古学和古脊椎动物学的第二代研究力量开始成长。裴文中于五、六十年代招收多名研究生，并对在职青年科研人员进行专题指导，力求新的一代在旧石器考古学、史前考古学、博物馆学、第四纪生物地层学、第四纪哺乳动物学和古环境学方面皆有专攻，足见他有带领新生力量在各个分支领域开拓进取、一展宏图的雄心壮志，遗憾的是如此良好事态被突如其来的政治风暴所遏制。
裴文中先生不断进取，不断创新，即使在晚年仍锐气不减，奋斗不已。1970年代中期，部分恢复学术自由的裴文中在其学生张森水的辅佐下，承担了对北京猿人石器工业的综合研究。面对这一庞杂的材料体系，裴、张二人将定量方法引入研究之中，用大量科学数据展示北京人的石器技术与类型的特点和演变，解决了周口店石器工业的发展变化问题，将中国旧石器考古学的规范化和定量研究推向前所未有的高度。1980年他东渡日本讲学，根据中国大陆与日本列岛出土的动物化石和旧石器遗存的比较研究和古地理变化，以“从古文化及古生物上看中日的古交通”为题发表演讲，指出“在第四纪的大部分时间内，亚洲大陆与日本列岛曾以陆地相连”，“华北与日本的旧石器文化具有许多共同特征”，“在中更新世之末和晚更新世之初，在日本和华北之间没有古代人类不可逾越的天然障碍”。该论点的提出引起中外学术界的广泛反响，为区域间的古环境、古文化研究奠定了新的基调。
裴文中是从田野中走出的科学家，一生的很大一部分时间是在野外考察中度过的。晚年因“文革”的摧残体弱多病，有时大小便失禁，但他仍然坚持到野外考察，疲惫的身影出现在河北泥河湾、内蒙古扎赉诺尔、贵州穿洞……并留下“要把75岁当作57岁来过”的名言。在逝世前一个月，他还在信中勾画自己的考察路线：9月去柳州，再去杭州，最后到安徽和县；明年去满洲里，去贵州……1982年9月18日，裴先生带着这样的工作计划和对挚爱事业的眷恋与世长辞。
裴文中先生是中国20世纪的科学精英，是地质学界、古人类学界和考古学界的一代宗师，也是卓有成就的文学家、科普作家和教育家，还是文博界的重要领导者。能同时开辟几个学科领域，并在其他学术天地中引领风骚，不能不说是个奇迹，后人很难望其项背。
