垓下史前古城遺址位于固鎮縣濠城鎮垓下居委會境內，是在秦漢垓下古城之下的又一座城址，屬大汶口文化晚期至龍山文化早期，距今4600～4300年。
遺址主體地貌為一臺地。根據勘探，遺址為不太規整的長方形，東西南北城墻分別長410米、480米、280米、340米，城墻內圈面積約15萬平方米。2007年上半年進行全面考古發掘，至2009年告一段落。發現城墻外有壕溝，城內有臺形基址、成片紅燒土堆積、窯址、水井、溝槽等。發掘證實，遺址年代主要是大汶口文化晚期和漢代兩個時期，發現保存較好的始筑于大汶口文化晚期、漢代增筑的城墻，大汶口文化晚期至龍山文化初期排房、臺形基址、陶窯、墓葬，大汶口文化晚期至龍山文化初期及秦漢時期的灰坑、溝，漢代開鑿的大型水槽、水井，宋代墓葬等，共出土文化遺物約400件。其中，大汶口文化晚期城址的發現，是最重要的收獲；紅燒土上發現的大量稻谷，表明在龍山文化時期，先民們就已在這里從事水稻種植；而建于北城墻頂部的大汶口文化晚期多間排房、東城墻上的史前地震跡象、漢代的溝槽和其上的車轍等，則為發掘增添了許多待解之謎。
經對東城墻2條探溝和北城墻1條探溝解剖得知，城墻結構基本一致。東城墻墻基寬約24.7米，殘存高度最高達3.8米，系堆筑而成，主體為大汶口文化晚期筑造，漢代可能有所增筑或補筑。其中大汶口文化晚期城墻為平地起建，先使用比較純凈、黏性較好的棕色土間雜沙性白土塊和由黃、褐、淺灰色沙性土等各種土混雜而成的特征明顯的花土，平堆成下寬上窄的山坡形，再以其為核心，在上面順坡逐層堆筑，根據堆積結構關系，至少有3次堆筑過程。北城墻比東城墻保存略差，解剖所見城墻基寬約22.5米，殘高約2米，同樣采用堆筑法建造，平地起建，先用灰白色純凈細沙土摻和少量焦黃色黏土堆成墻芯，再于其兩側逐層堆積進行加寬增高，形成墻體，從堆積結構看也可分辨出3次堆筑過程。城墻堆積內出土的遺物以殘碎陶片為主，陶質多夾細砂，泥質較少；陶色以紅、褐色陶為主，其中外紅內黑陶最多，有一定數量的灰陶；器表多有紋飾，流行橫、斜籃紋，極少量飾有繩紋或方格紋；可辨器型有鼎、罐、鬶、觚形杯、高柄杯等，器物形態具有皖北地區大汶口文化晚期較為典型的特征。
發現的早期史前城墻表明，垓下遺址在大汶口文化晚期已是一處有人居住的聚落遺址，發展至龍山文化時期(距今約4600～4300年)，進入第一個鼎盛時期，成為一個區域文化中心。垓下古城址成為我國繼黃河流域和長江流域等史前城址發現之后，在淮河流域的又一次重要發現，是淮河流域首次發現的大汶口文化時期的城址，也是迄今發現能夠確認最早的大汶口文化遺址、唯一的大汶口文化史前城址，填補了海岱、中原、江漢、太湖四大文化圈之間幾十萬平方公里地域范圍史前城址的空白，是我國目前發現較早的史前城址，是中華文明探源工程的標志性城址，被譽為“中國大汶口文化第一城”。出土的各類文物和發現的早期史前城墻，不僅佐證了垓下的歷史，大大提早了垓下遺址年代，還為探討我國早期城市起源、發展、演變軌跡及淮河流域文明化進程提供了寶貴的考古新證據，填補了安徽史前城址空白，是安徽史前考古的一個重大突破。遺址發掘為中華文明起源增添了新的佐證，說明在這個時期就已有了文明的曙光。
在北城墻偏西的城墻頂部，還發現一組東西向排房，系順城墻走向建造。建房前可能用了質地較細的淡黃色土對城墻頂部鋪平，再于其頂部下挖形成淺穴式房屋。排房由5間聯排房屋和1間獨立的附屬性房屋組成，構造精美。其中，聯排房屋共長約16米，每間寬2.3～3.3米不等、進深約4.45米，均為長方形，房屋間設有隔墻，隔墻寬16～32厘米。僅有3間房屋殘存有墻壁，高度20～45厘米。房屋地面受到不同程度破壞，殘留的地面及墻壁皆抹有白灰面，地面與墻壁交界處皆繪有紅色線條，可能是一種裝飾。相對獨立的1間房屋位于最東側，與聯排房屋存在寬約0.5米的間隔，但位于同一條直線，其寬度較窄，僅1.6米，進深約4.2米，地面由西向東略凹，抹有白灰面但非常粗糙，室內殘留陶器較多，有鼎、器座、瓶、石支架等，鑒于上述特征判斷，此房間應非居住所用，更可能是附屬性的建筑。
在城址西北角，城內靠近城墻處發現1座臺形基址，西北—東南走向，可能是毀棄的建筑基址。臺基東西未發掘到邊緣，已揭露部分寬約7.5米，長超過14.5米(根據走勢和鉆探情況，臺基長度可能在15～18米)，高約1米。臺基上有幾條殘存的基槽狀遺跡，臺基頂部和漫坡周邊發現數座甕棺葬。從甕棺葬內遺物推斷，臺基應早于大汶口文化晚期。
共發現墓葬15座。能判斷屬于大汶口文化晚期至龍山文化初期的有4座土坑墓、7座甕棺葬。土坑墓都為單人葬，墓向基本一致，皆朝東略偏南，僅1座有隨葬品。甕棺葬以將1件器物打碎上下鋪蓋為主，也有兩器扣合和陶器倒置的形制，用來隨葬的陶器有甕、罐、鼎、甗等。
由于垓下城址發掘面積很小，雖在城內西北角發現臺形基址，其上面還發現甕棺，但對此臺基和整個城址都還缺乏足夠認識和了解。一般而言，城是社會矛盾激化的產物，要建成城內面積約15萬平方米、墻基寬20多米的大型聚落，必需數量可觀的勞動力，任何一個史前聚落都難以做到。垓下城址不僅比同地區最大的環壕聚落蒙城尉遲寺遺址要大，更遠超出面積在二三萬平方米之下的小型聚落。同屬淮河流域距此并不很遠的龍山文化城址，已發現許多座，大都位于北緯34°上下豫東南、皖北和蘇北的東西延長線上。不同的是，該城址年代比迄今發現的龍山文化城址都要早。從出土的陶器判斷，它應屬于淮北地區的大汶口文化晚期尉遲寺類型。由于該類型的文化多位于自西北向東南流去的淮河諸支流兩岸，大致又處于中原與海岱兩個文化區交匯、碰撞地帶，所以文化面貌雖更多表現為大汶口文化的特點，但又帶有淮河中上游中原腹地文化的顯著特征。
垓下遺址遺存也受到周邊文化強烈影響。從出土的新石器時代遺物看，具備大汶口文化的普遍特征。但遺址中發現的白灰面排房、臺基等又是大汶口文化中極為罕見的，具有自身特點，與同區域蒙城尉遲寺遺址的發現有較多類似之處，可能屬于大汶口文化的同一個類型。垓下城址作為淮河流域第一次發現的大汶口文化城址，雖然面積不大，卻是目前整個大汶口文化中最無疑義的一個城址，對于探索中華文明的形成具有重要意義，它出現在遠離大汶口文化中心區的南部邊緣更是帶來諸多學術上的問題。
固鎮縣垓下大汶口文化城址被評為2009年全國十大考古新發現之一。2013年，垓下遺址被國務院核定公布為第七批全國重點文物保護單位。