Di chỉ Bãi Mèn (xã Cổ Loa) nằm ở khu đất cao ven sông Hoàng Giang, cao hơn mặt ruộng từ 1m đến 1,5m nằm về phía đông nam thành Cổ Loa. Bãi Mèn cách di chỉ Tiên Hội 1,5 km và giáp với di chỉ Đình Tràng về phía đông bắc.

Theo các nhà nghiên cứu lịch sử Cổ Loa, di tích Bãi Mèn vô cùng quan trọng trong hệ thống các di tích khảo cổ học khu vực Cổ Loa nói chung hay các giai đoạn Tiền Cổ Loa nói riêng. Nghiên cứu Bãi Mèn có thể cho một cái nhìn toàn diện về vùng đất Cổ Loa trước khi An Dương Vương chọn làm nơi xây thành dựng đô.

Tháng 9 năm 1959, sau khi phát hiện kho mũi tên Cầu Vực, Vụ Bảo tồn, Bảo tàng đã tiến hành điều tra ở khu vực xung quanh và phát hiện di chỉ Bãi Mèn.

Cuộc khai quật di chỉ Bãi Mèn lần thứ nhất do Viện khảo cổ học phối hợp với Sở văn hóa Hà Nội tiến hành khai quật di chỉ Bãi Mèn lần thứ nhất với diện tích 200 m2, chia thành 2 hố, mỗi hố 100 m2.

Tiếp theo đó là 3 cuộc khai quật khác do Viện khảo cổ học, Ban Quản lý di tích và Danh thắng Hà Nội, Khoa lịch sử trường Đại học tổng hợp Hà Nội thực hiện.

Theo tài liệu được ghi trong Cuốn Địa chí Cổ Loa tổng diện tích khai quật tính đến năm 2003 là 4 lần với tổng diện tích 850,50 m2. Hai lần khai quật đầu cho thấy địa tầng di chỉ Bãi Mèn giống nhau: ngoài lớp đất mặt dày từ 20-30cm có lẫn nhiều sỏi, đá, gạch, mảnh sành sứ hiện đại và lớp đất cát màu vàng nhạt ở dưới, tầng văn hóa màu đen sẫm, không đều, có nơi dày là 30cm, có nơi dày 200 cm. Hiện vật trong tầng văn hóa ở lớp dưới cùng là gốm thô, rìu đá, ở trên lẫn nhiều ngói và một ít gạch (gốm Cổ Loa). Nói chung, ngói và gạch không bao giờ nằm sâu hơn gốm thô, rìu đá. Ở vách đông của hố II (lần khai quật thứ nhất) có một dải đất đen dài 4m, rộng từ 1-3m, sâu đến 2,05m chứa toàn ngói vỡ không lẫn lộn gốm thô.

Mặc dù đều băn khoăn về sự tồn tại của gốm Cổ Loa ở lớp trên nhưng những người khai quật hai lần đầu đều xác định Bãi Mèn là di chỉ có một tầng văn hóa của cư dân Đồng Đậu.

Hố thám sát vào tháng 7 năm 1997 có địa tầng giống như hai đợt khai quật trước nhưng tầng văn hóa được phân thành 2 lớp: lớp Đông Sơn muộn (lớp Cổ Loa) ở trên và lớp văn hóa Đồng Đậu ở dưới.

Trong 3 đợt khai quật và thám sát di chỉ Bài Mèn cũn phát hiện nhiều di tích mộ táng, bếp lửa, hố đất đen và nền đất đắp. Các mộ táng ở Bãi Mèn chủ yếu là mộ gạch Đông Hán (3 mộ), chỉ có 1 mộ Đông Sơn muộn phát hiện trong hố thám sát tháng 7 năm 1997.

Số lượng hiện vật thu được qua 3 lần khai quật di chỉ Bãi Mèn gồm: Đồ đá với 362 hiện vật, trong đó công cụ sản xuất có 222 chiếc chiếm 68,09% gồm rìu, bôn, đục, hòn kê, chì lưới, đồ trang sức có 39 chiếc chiếm 12% và các hiện vật khác là 65 tiêu bản chiếm 19,93%.

Đồ đồng phát hiện được không nhiều, chỉ có 38 hiện vật như rìu đồng, tiền, mũi tên…

Đồ gốm nguyên, đồ đất nung có 91 hiện vật chiếm 19,73% và 9.627 mảnh gốm trong đó có 3.899 mảnh gốm Cổ Loa. Gốm di chỉ ở Bãi Mèn phân bố tương đối ổn định. Lớp dưới phát hiện được gốm thô là chủ yếu. Lớp trên gốm Cổ Loa có số lượng áp đảo, gốm thô giai đoạn muộn có số lượng không đáng kể.

Kết quả khai quật và nghiên cứu cho thấy Bãi Mèn là di chỉ cư trú, tầng văn hóa dày trên 1m, chứa đựng dấu tích của 3 giai đoạn phát triển. Giai đoạn I tương ứng với lớp văn hóa cuối cùng – thuộc lớp cư trú của cư dân Phùng Nguyên muộn. Giai đoạn II tương đương với lớp văn hóa giữa – thuộc lớp cư trú của cư dân Đồng Đậu muộn và mộ táng Đông Sơn hay giai đoạn Cổ Loa.