三星堆文化的分期，可以根据其考古时的发现分为三星堆遗址一期、二期、三期和四期。也可以按研究后文化类别分为宝墩文化（约公元前2,500年至公元前1,750年）、三星堆文化（约公元前2,800年至公元前1,100年）和十二桥文化（約公元前1,250年至公元前650年）。三星堆文化的分期对于认识三星堆与当地先秦时期青铜文化（距今約5,000多年前至2,700多年前）和新石器文化（距今約7,000多年前至2,000多年前）的关系有着重要作用，也奠定了完善四川古文化发展谱系，确定巴蜀文明形成的基础。其主要出土的上百件青铜精品，一如青铜立人像年代则在第四期，概括约在公元前1,200－公元前1,000年之间，相当于中原地区的安阳殷墟遗址。[22]
1933年至1934年的第一次对月亮湾真武宫遗址和玉石器坑挖掘时，已经有人注意到两者年代有所不同[23]。1963年四川大学考古专业实习进一步的从地层上论证了不同时期的叠压关系。1980年、1981年第一次发掘时，考古队员将堆积物分为八层，除去表层土（第1层）、间隙层（第5、7层），剩下的五层被称为“第一至第五文化层”。其中第四、五文化层（第6、8地层）被划为第一期，第二、三文化层（第3、4地层）被划为第二期。第一文化层（第2地层）被划为第三期。1982年，通过第二次发掘，发掘者提出存在三星堆遗址第四期。至此，三星堆文化分为四期的基本框架已经形成。
三星堆一期文化
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1986年2号祭祀坑出土的青铜面具
标准地层是第一次发掘时的第6层、第8层（第四、五文化层）。1984年西泉坎下层（第4层）和1986年第六次发掘的最下层（第13-16层）等基本与之对应。
出土的陶器陶质主要以泥质灰陶为主，出土陶器中大约65%为此类陶质，又包括了泥质青灰陶和灰白陶。其次是夹砂褐陶，另外还有少量不均匀的泥质橙黄陶。器形比较单调，主要是平地器，但也要少量圈足器，大部分皆难以复原。纹饰主要是绳纹，其次是划纹，划纹又包括了平行线划纹、水波状划纹、几何形划纹，也有在平行划纹上再弄出齿状。另外有少量的锥刺纹和镂孔装饰。这一时期陶器的显著特点之一是器口压成锯齿状花边。
这一地层已经出现房屋建筑，平面通常呈圆形或方形，采用挖柱洞立柱桩的方法，中间连结以泥墙。有些房屋的面积只有10－12平方米，据推测可能是干栏式的小房子。
经中国社科院考古所鉴定，在第一次发掘时的第六层所采集的标本距今为4,075±100年，树轮校正后为4,500±150年，高精度校正后为公元前2,590至公元前2,340年。其他的一些主要数据有距今4,170±85年，4,210±80年等[24]。
三星堆二期文化
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三星堆遗址出土的陶鸟头勺把。鸟头形勺把是“鸟头把勺”的一部分
三星堆二期文化的标准地层是第一次发掘时的第3层、第4层（第二、三文化层）。第六次发掘的第11、12层也是典型地层。各次发掘中，此地层均有出现，说明这一期文化在三星堆遗址群中有广泛的分布。与第一期文化相比，这一期的文化面貌大有改变。包括特色鲜明的陶器和石器。可以说代表三星堆文化特征的典型器物群已经出现。其与第三期的区别主要是数量比例和个别品种上的区别。
陶器：陶质变化为主要以夹砂褐陶为主，其次是泥质褐陶。器形比第一期丰富很多，新出现了小平底罐、高柄豆、平底盘等，也出现了少量鸟头形状的勺柄。纹饰以粗绳纹和细绳纹为主，新出现了凸弦纹、附加堆纹、网纹等。
石器：包括斧、錛、凿、杵和砍砸器，开始出现石壁和石纺车。
建筑：房屋单间的平面通常呈长方形或方形，有些数间连接成组，有些房屋墙基内还另有小沟，小沟内再立木桩。
年代：距今约3,990±80年，树轮校正后为4,390±130年，高精度校正后为公元前2,471至公元前2,209年。其他的一些主要数据有距今约3,525±170年等[25]。
2021年3号坑发现的金面罩，重约97克，是三星堆最为完整的金面具
金沙遗址出土的商周大金面具，造型风格与三星堆面具基本一致