Sau 2 năm được phát hiện, đến năm 1976, Khoa Lịch sử, trường Đại học Tổng hợp Hà Nội bà Ban Đông Nam Á đã phối hợ với Ty văn hóa Nghệ Tĩnh thời đó tổ chức khai quật các di tích Phôi Phối trên diện tích 150m2 và đã thu được 460 hiện vật bằng đá, 34.991 mảnh gốm, được phân thành 3 loại gồm: Đồ đựng, đồ trang sức và loại chưa rõ công dụng.
Nhiều đồ đựng có kích cỡ lớn, phổ biến loại gốm đáy nhọn, một loại hình khá độc đáo lần đầu tiên tìm thấy ở Việt Nam. Kỹ thuật chế tạo đồ gốm được phân thành hai giai đoạn: Giai đoạn sớm phổ biến kỹ thuật giải cuộn con chạch và hòn đập-bàn kê với văn chải chiếm ưu thế; giai đoạn muộn phổ biến kỹ thuật bàn xoay với hoa văn thừng và khắc vạch.
Ngoài ra còn xuất hiện gốm có hoa văn hai mặt, mặt ngoài là văn chải được trang trí đến tận miệng gốm, mặt trong là hoa văn in rãnh và đặc biệt đã tìm thấy gốm tô màu. Căn cứ vào đặc trưng đồ gốm, đồ đá và mối quan hệ giữa các di tích khảo cổ trong vùng, các nhà nghiên cứu nhận định đây là di chỉ cư trú, có niên đại hậu kỳ đồ đá mới.
Tháng 8/2000, với việc phát hiện tình cờ nhóm hiện vật được lưu giữ trong nhân dân, các nhà khảo cổ học Hà Tĩnh đã tìm đến địa danh Bãi Cọi thuộc xã Xuân Viên huyện Nghi Xuân để khảo sát thực địa nguồn gốc của nhóm hiện vật trên và bước đầu xác định đây là di tích khảo cổ mở rộng của di tích Phôi Phối.
Tháng 11/2008, Bảo tàng Lịch sử Quốc gia và Bảo tàng Hà Tĩnh phối hợp điều tra, thám sát khu vực này và có những phát hiện quan trọng về sự phát triển của văn hóa thời đại đồ đồng ở khu vực Hà Tĩnh. Điạ điểm khảo cổ này bị xâm hại nghiêm trọng, nguy cơ biến mất di tích là rất lớn.
Theo đề nghị của tỉnh Hà Tĩnh, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch đã cho phép Bảo tàng Hà Tĩnh phối hợp với Bảo tàng Lịch sử Quốc gia tổ chức khai quật khẩn cấp và đã phát hiện được 16 ngôi mộ, trong đó có 14 mộ đất, 1 mộ chum và 1 mộ bình gốm. Các mộ chôn theo hướng tương đối đồng nhất (Đông Bắc - Tây Nam) và thường xuất lộ ở độ sâu từ 0,15m- 0,85m trở lên.
Vì chôn trong cát nên không có biên huyệt mộ, do nạn xăm đồ cổ nên các ngôi mộ được phát hiện không còn nguyên vẹn. Trong số 14 ngôi mộ đất, một số được xác định bởi có sự đánh dấu bằng một hoặc hai hòn đá cuội, một số ít còn giữ được biên và huyệt mộ. Qua đó cho thấy những mộ đất ở đây được chôn trong các huyệt hình chữ nhật, dài khoảng 1,8 m đến 2 m, rộng 0,8m đến 1m. Trong đó một số mộ có hiện tượng kè mảnh gốm ở biên huyệt mộ và hiện tượng “giết chết hiện vật” trước khi chôn.
Các hiện vật như cuốc sắt hình chữ U, giáo sắt, nồi gốm vai xuôi, bát gốm bồng cũng phát hiện được trong loại mộ này. Mộ chum hình trái đào, đáy bằng đặt nằm nghiêng, miệng chum được úp chiếc nắp nón cụt, bên cạnh đặt một bát bồng. Mộ bình gồm một chiếc bình vai gãy được chôn thẳng đứng và một chiếc nồi vai xuôi kích thước khá lớn úp khít lên.
Hiện vật đá chủ yếu là hòn cuội hình bầu dục dài như những hòn ghè, hòn nghiền; đồ đồng gồm rìu lưỡi xòe cân, rìu lưỡi vũm có họng tra cán, đồ sắt là dao găm, giáo, rìu hình chữ U; đồ thủy tinh có khuyên tai 3 mấu màu xanh ngọc, các mảnh nồi đúc đồng có dính xỉ đồng màu xanh; đồ gốm được phát hiện nhiều như nồi, chõ, bình, bát bồng, vò, dọi xe chỉ, chum, nắp, bát, hũ nhỏ, khuyên tai...
Kết quả cho thấy đây là di tích mộ táng với kiểu táng thức mộ chum, mộ bình và mộ đất. Trên cơ sở tập trung các cụm gốm và đồ tùy táng, ở khu mộ này có hiện tượng “giết chết hiện vật” trước khi đem chôn và các mảnh vỡ gốm được chèn xung quanh di cốt.
Ngoài ra có cụm mộ được xác định đánh dấu bằng đá cuội. Hình thức táng thức dùng bình (trên úp nồi) thay cho nồi táng là một kiểu táng thức khá lạ. Với cách táng thức trên, có thể nhận định: Mộ đất là hung táng, mộ vò, bình là cải táng. Các hiện vật như cuốc hình chữ U mang yếu tố Đông Sơn muộn, dao găm, giáo, khuyên tai 3 mấu (gốm) khuyên tai 3 mấu (thủy tinh) là đặc trưng của văn hóa Sa Huỳnh. Đồ gốm Bãi Cọi phát triển truyền thống của gốm Sa Huỳnh. Kiểu dáng, hoa văn thể hiện rõ tính kỹ thuật, mỹ thuật đạt đến đỉnh cao của văn hóa Sa Huỳnh (bình con tiện). Tuy nhiên, đồ gốm Phôi Phối - Bãi Cọi cũng cho thấy sự ảnh hưởng của văn hóa Đông Sơn (văn đập trên thân đồ gốm).
Tháng 5/2009, Bảo tàng Lịch sử Quốc gia phối hợp với Sở Văn hóa, Thể thao và Du lịch Hà Tĩnh tổ chức tọa đàm khoa học về di tích khảo cổ Phôi Phối - Bãi Cọi với sự tham gia của nhiều nhà nghiên cứu lịch sử, văn hóa, dân tộc học, các chuyên ngành liên quan ở trung ương và địa phương...Và đều có chung nhận định “Đây là di tích khảo cổ khá đặc biệt, có niên đại cách ngày nay trên 2000 năm. Ở đó có sự hiện diện của văn hóa Đông Sơn và văn hóa Sa Huỳnh, cần điều tra, khai quật mở rộng để nghiên cứu về nơi hội tụ, giao thoa của hai nền văn hóa này...”.
Tiếp tục chương trình nghiên cứu, tháng 12/2009, Bộ VH,TT&DL tiếp tục cho phép tổ chức khai quật di tích Phôi Phối - Bãi Cọi. Với 4 hố khai quật đã phát lộ 8 mộ chum, 4 mộ huyệt đất, 1 cụm mộ nồi, 8 tiêu bản đá (khuyên tai 3 mấu, khuyên tai hình vành khăn, khuyên tai hình con đỉa, hạt chuỗi nhỏ hình dẹt, thạch anh lục lăng...) 4 tiêu bản đồng (1 rìu hình chữ nhật, 1 rìu gót hài, 2 hiện vật hình chữ nhật, họng tra cán có tiết diện hình bầu dục và có chốt hãm, còn đầu kia có mũi nhọn có tiết diện hình vuông), 1 tiêu bản khuyên tai hình vành khăn bằng thủy tinh, tiêu bản chì lưới hình quả nhót bằng đất nung, đồ gốm chiếm tỷ lệ cao. Lần này xuất hiện loại hình mới như bình dạng thô, bình nhỏ miệng thấp, chì lưới…và chum táng đặc trưng văn hóa Sa Huỳnh khá nhiều.
Tháng 10/2012, trong chương trình hợp tác giữa Bảo tàng Lịch sử Quốc gia và Bảo tàng Quốc gia Hàn Quốc, Bộ VH,TT&DL cho phép 2 đơn vị trên phối hợp với Sở VH,TT&DL Hà Tĩnh tổ chức nghiên cứu khai quật mở rộng di tích Phôi Phối - Bãi Cọi. Sau hơn 1 tháng đoàn đã mở 4 hố khai quật với diện tích 100m2 đã phát hiện 16 ngôi mộ (9 mộ chum, 2 mộ nồi, 1 mộ bình, 1 mộ bình - nồi và 3 mộ huyệt đất). Trong số mộ chum phát hiện có 2 mộ chum chôn nằm ngang, các mộ chum khác chôn theo phương thẳng đứng, có mộ chum đặt đồ tùy táng nằm ngoài chứ không đặt lên vai chum như nhiều chum khác, một số mộ chum có hiện tượng kè gốm, nhiều chum có dấu tích di cốt nhưng đã mủn nát. Mộ đất kè gốm, đồ tùy táng bằng đá, sắt, đồng và gốm được phát hiện.
Tỷ lệ mộ chum khá cao (9/16), 3/9 chum có nắp nón cụt, các chum khác có nắp là nồi, bát, hoặc một chiếc chum khác ghè miệng úp lên. Sự xuất hiện nhiều chum táng và nắp nón cụt càng phản ánh rõ hơn tính chất Sa Huỳnh của di tích. Sự xuất hiện của nhiều loại hình vòng tay đồng, khuyên tai đồng, rìu đồng (phong cách Đông Sơn), lao sắt, các loại hình gốm vai gãy (phong cách Sa Huỳnh) cho thấy sự phong phú đa dạng của loại hình di vật và sự xen kẽ giữa mộ huyệt đất với mộ chum thể hiện sự đa dạng trong táng thức của cư dân cổ...
Đặc biệt đã phát hiện được di vật là mảnh vải cuốn hiện vật đồng, bước đầu cho chúng ta nhiều thông điệp về quá khứ. Các hiện vật này sau đó đã được các chuyên gia khảo cổ Hàn Quốc xử lý, phục dựng và trưng bày tại Bảo tàng Xơ Un, thu hút sự quan tâm không chỉ của các nhà nghiên cứu, mà của cả nhân dân Hàn Quốc.
Qua các đợt khai quật, nghiên cứu cho thấy di tích Phôi Phối - Bãi Cọi hội tụ đủ yếu tố của văn hóa Sa Huỳnh và văn hóa Ðông Sơn, điều đó cho thấy mảnh đất Hà Tĩnh là vùng đệm, là nơi giao thoa của hai nền văn hóa nổi tiếng thời sơ sử của nước ta. Sự giao thoa, hòa trộn các yếu tố văn hóa trong di chỉ đã cho thấy văn hóa Phôi Phối- Bãi Cọi vừa có tính thống nhất, vừa có sắc thái đa dạng và đó chính là sự độc đáo của di tích khảo cổ này.
Cũng có ý kiến cho rằng, nếu khu vực Bãi Cọi được mở rộng khảo sát và nghiên cứu một cách hệ thống có thể sẽ còn phát hiện nhiều di tích cùng tính chất và niên đại, bên cạnh di tích mộ táng có thể sẽ thấy di chỉ cư trú. Và khi ấy, Bãi Cọi với những đặc trưng cơ bản thể hiện sự giao lưu, trao đổi, hội tụ cả hai nền văn hoá Đông Sơn và Sa Huỳnh có thể được coi là một nền văn hoá khảo cổ độc lập ? Giá trị văn hóa của di tích khảo cổ này vẫn đang còn là tiềm ẩn lớn, đã và đang được sự chú ý của giới nghiên cứu khảo cổ học không chỉ trong nước mà còn của các nhà nghiên cứu khảo cổ học quốc tế.
Tuy nhiên, việc bảo vệ và gìn giữ di chỉ Phôi Phối-Bãi Cọi gặp rất nhiều khó khăn, do nạn xăm cổ vật trái phép, việc khai thác cát phục vụ dân sinh. Đặc biệt là sự chưa hiểu biết của nhân dân địa phương về loại hình di tích này, cũng như chưa có quy hoạch cụ thể các công trình xây dựng, đã làm ảnh hưởng lớn đến sự tồn tại của di tích.
Chính vì vậy, để bảo tồn và phát huy giá trị di tích, cần tăng cường tuyên truyền về giá trị, ý nghĩa của di tích đến với mọi tầng lớp nhân dân, qua đó nâng cao ý thức trách nhiệm trong việc gìn giữ di tích. Triển khai cắm mốc khu vực khoanh vùng bảo vệ di tích theo hồ sơ xếp hạng di tích Quốc gia với diện tích 60.000m2. Nghiêm cấm việc xây dựng các công trình dân sinh, phúc lợi xã hội trên diện tích đã được khoanh vùng. Tiếp tục phối hợp với các cơ quan trung ương, các tổ chức quốc tế để điều tra mở rộng các vùng xung quanh nhằm nghiên cứu, đánh giá sát thực, khoa học hơn về di tích khảo cổ Phối Phối-Bãi Cọi trong nền văn hóa cổ sử và sơ sử, về niên đại tuyệt đối, chủ nhân di tích, đời sống kinh tế văn hóa xã hội, vai trò và ảnh hưởng của nó trong các giai đoạn văn hóa tiếp theo.
Với những giá trị lịch sử, văn hóa, năm 2013, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch đã có Quyết định xếp hạng di tích Phôi Phối-Bãi Cọi là di tích khảo cổ Quốc gia, sau di tích khảo cổ Thạch Lạc, huyện Thạch Hà năm 2009./.
