两千年7月12日，秦始皇陵考古队部分人员在副队长段清波的带领下，顶着酷暑，来到陵园南部的封土旁开始发掘。经过几个月的努力，发现并确认这座陪葬坑的建筑形制与此前在陵园内发现的石铠甲坑、百戏俑坑基本相同，均为地下坑道式土木结构。陪葬坑的四周筑有夯土二层台，二层台内侧嵌以厢板，坑底以夯筑处理地基，其上铺砌木地板，坑体上部用经过修整的扁平长方形棚木封闭，棚木之上覆盖芦席，芦席上面则是经粗夯处理的封土。整个陪葬坑由斜坡道和前、后室三部分组成，前后室东西错位，形成两个分藏不同埋藏物的相对独立的单元。前室以安置陶俑为主，后室则埋藏真马，出土时马的骨架尚存，只是有些零乱。在斜坡道入口处和前后室，还分别出土了木车、铜钺、陶罐、盖弓帽、马具饰件等文物，这些文物的出土，为全面认识和深入研究秦始皇陵园的陵寝制度提供了重要的实物资料。
由于在发掘前就对这座陪葬坑有了诸多的疑问和牵挂，当发掘一开始，段清波等考古人员就特别注意发现盗扰洞的迹象，并采取了相应的技术手段，但最终还是以失败而告终。从陪葬坑的底层迹象看，那破碎倾倒的陶俑、凌乱的盖弓帽、马骨区域的俑头、极少的马具等，无不向考古人员叙说着此处曾遭到过外来力量的扰动。这种现象在此前发掘的石质铠甲坑、百戏俑坑中也同样存在。为什么在坑中明显发现人为的盗扰迹象却总是找不到入口呢？经过段清波等考古学家分析推断，认为当外来的破坏性力量进入陪葬坑时，该坑的覆盖面基本完好，后来坑的上层封土大面积坍塌并落入坑底，盗扰洞的迹象在塌陷中一并毁之不存。秦代之后陵园遭受洪水携带物袭击时，泥沙俱下，有的直接进浸于陪葬坑的底层，有的覆盖在下陷的封土之上，这种泥土与洪水的再度融合，必然使原有的盗扰迹象不复存在，这便是导致考古人员虽尽努力而无结果的根本原因。