這時的新生代研究室主任是魏敦瑞，前文已經提及，他雖然對周口店的發掘經費控製甚嚴，或可說是很吝嗇，但對發掘進展情況也十分關切，每次到工地見到賈蘭坡總要問有什麼新發現沒有。上半年的發掘臨近結束時發現了遠古北京人的幾顆牙齒和三小塊頭骨碎片，人們又燃起了新的希望。秋季發掘開始時，環境變得很糟糕，一是魏敦瑞控製過於嚴格，經費緊張；二是失望和急躁情緒逐漸蔓延，尤其是魏敦瑞，更顯得十分焦急，經常往周口店跑。秋季工作繼續在第一地點中段進行，第一地點即現在所說和所見到的北京人遺址，這裏堆積情況最好，而且含化石數量豐富，前麵裴文中發現的兩個頭骨化石均得於此。工作開始，好的征兆便接連出現，包括一些有加工痕跡的石器，多種哺乳動物化石等等。10月22日，更在距裴文中1929年發現第一個完整頭蓋骨的地點之南約10米、高約6米處發現了一個女性的下頜骨，保存相當完整，過去從來沒有發現過，引起了許多中外學者的關注。這件下頜骨的出土無疑十分重要，但更重要的是增加了賈蘭坡的信心。從發現下頜骨的這一刻起，賈蘭坡就沒有離開過現場，他東西巡視，唯恐遺漏下哪怕一點蛛絲馬跡。或許是他這種一絲不苟的敬業精神感動了上蒼，幸運終於再次降臨到這位年僅26歲的中國青年身上。
11月15日是一個星期日，紛紛揚揚的雪直至9時左右才逐漸停止。負責發掘近北側洞壁處堆積的技工張海泉在一塊比較鬆軟的砂土中掘到一小塊骨骼化石，正要隨手放到麵前收集化石的小荊條筐裏，賈蘭坡恰巧看到了，立即要他停手，搶上去拿過骨片細細端詳，沒錯，正是一塊屬於人的頭骨上的頂骨化石！現場一片歡騰。賈蘭坡挑選了三位經驗豐富的技工和他一起清理，又陸續發現了枕骨、眉骨、耳骨等大量碎片，確定是一個頭骨化石無疑。也許冥冥中注定這一天要成為狂歡的日子，下午竟在同一地點，又發現了一個遠古北京人的頭骨化石！這時天色已晚，頭骨隻能在潮濕陰暗的洞中熬過北方寒冬的淒涼一夜了。凜冽的寒風卻沒有冷卻人們的熱情，這天夜裏，賈蘭坡和幾位技工對先發現的頭骨進行修複，當完整的頭骨化石呈現在人們麵前時，人們歡呼雀躍，緊緊擁抱在一起，畢竟已經等待了很漫長很漫長的時間了。
賈蘭坡連夜打電話通知北京。當魏敦瑞第二天清晨得知這個好消息後，用魏夫人的話說：“清晨當他聽到賈打電話說周口店發現了北京人的頭蓋骨，馬上精神就緊張起來，先是找不到褲子，找到之後又穿反啦！”喜悅之情溢於言表。魏敦瑞和卞美年飛快趕往周口店，賈蘭坡從文件櫃中取出頭蓋骨化石遞給魏敦瑞，魏雙手接了過去，但兩手不住發抖，又不得不放在桌上，口中連喊：“哈，好極！好極！”
第二個頭蓋骨取出後，經修複，由賈蘭坡攜帶返回北京交給魏敦瑞，魏敦瑞這時正籌劃召開記者招待會，向全世界報道這一次的重大發現，賈蘭坡——這位功績卓著的發現者沒有居功自傲，在會議召開之前又匆匆返回了周口店。記者招待會召開以後，中外許多報紙都刊登了這個消息，再一次在學術界引起轟動。
就在會後的第三天，賈蘭坡又在周口店發現了第三個頭骨化石，而且這個頭蓋骨保存相當好，沒有破碎，很快就修理完畢，並連夜由賈送回北京。不久以後，1936年的發掘工作結束了。這一年的發掘獲得了豐收，雖然達不到1929年發現第一個頭蓋骨化石的轟動，但出土頭蓋骨的數量和質量均超過前者。賈蘭坡終於用他的認真態度和忍受孤獨的能力，奠定了他在古老的“北京人”化石發現史上的地位。
1937年在前年的基礎上，應該是遺址發掘的黃金時期，但7月7日日本帝國主義發動了全麵侵華戰爭，戰火很快波及到周口店地區，7月9日，發掘工作被迫停止。孰料想，這一停就是12年，直到1949年新中國成立後，周口店的發掘工作始告恢複。