不久，对“南海一号”的大规模考察和局部打捞工作正式开始。2002年3月，当张威和其他队员凿开一个窗口进入船舱时，他们惊呆了：仅在一个面积几平方米的小舱内，他们就捞起了几千件精美绝伦的文物，绝大多数瓷器完好无损！当他们将几千件文物陆续运到水面上时，水下考古队员们十多年打捞“南海一号”的心愿终于实现。

从打捞上来的物品看，“南海一号”是一艘外销的商船，装载的瓷器汇集了当时著名的景德镇的影青瓷、福建德化的印白瓷等四个窑系的瓷器。

其实，比瓷器更重要的就是沉船本身。这艘800年前的沉船，它造船工艺的精湛，不仅在当时的中国绝无仅有，而且在世界上也属罕见。“南海一号”长 30.4米，宽9.8米，是迄今世界上发现的年代最早、船体最大、保存最完整的古代远洋贸易商船，对“南海一号”的研究，很可能成为研究“海上丝绸之路” 的新起点。

专家们经过两年多的反复论证，经国家文物局批准，决定采用将“南海一号”沉船整体打捞出水的方案，这在世界水下考古史上尚属首次。

2007年6月“南海一号”打捞工作正式开始。12月21日进行试吊工作，试吊是整体打捞工作的重要部分，是对“华天龙”打捞船的吊环、钢索进行定位，为成功起吊做准备。22日，“华天龙”打捞船将“南海一号”吊出水面，平稳安全地放到半潜驳船上。7天后，装载“南海一号”的沉箱安全进入广东海上丝绸之路博物馆的水晶宫内，历时200多天的“南海一号”整体打捞工程终于画上了圆满的句号。

2009年8月18日试掘工作开始，经过近一个多月的发掘，出水了来自江西景德镇、福建德化等民间窑里的瓷器两百多件，现代科技终于让在水下沉睡近800年的“南海一号”揭开神秘面纱。