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二里头遗址的宫殿建筑基址是二里头文化时期建筑水平的核心证据。一号宫殿基址自 1959 年发现至今揭露完整，宫城内还发现了多进院落大型基址。

据中国社会科学院考古研究所学者的回顾，1959 年秋冬季，考古队以井字形分区钻探，在二里头遗址发现一处长、宽各约 100 米的大面积夯土建筑基址，即一号宫殿基址，并进行试掘；此后至 1978 年经多次钻探发掘，完整揭露了该基址，并揭露了二号宫殿基址的大部分。

2001 年起，考古队以 20 世纪 70 年代发现的道路为线索钻探，在宫殿区发现三条垂直相交的大道，并于 2001—2006 年间发现宫城四面城墙；同期还揭露了年代最早、保存最好的多进院落大型夯土基址——5 号基址，总面积超过 2700 平方米，由 4 进院落组成，把"多进院落"建筑模式的源头上溯到约 3700 年前。

一号宫殿的长方形夯土台基与廊庑式布局，5 号基址的四进院落，说明二里头都邑已出现规划化的宫室建筑群和院落式空间组织，对后世宫室建筑影响深远。但夯土基址只能复原柱网与轮廓，屋顶做法、色彩与部分功能仍属复原研究；"宫殿"是学界对其等级的通行判断，具体使用方式（朝、寝、宗庙祭祀的分属）仍是讨论中的问题。