广州救捞局在刚刚发现“南海Ⅰ号”后，就于1987年8月29日向交通部救捞局申请打捞“南海Ⅰ号”。但是，60万元的打捞经费捉襟见肘，此后，发掘工作转由国家文物局牵头组建的考古发掘队具体负责。1989年7月，中国历史博物馆与日本水中考古学研究所合作成立了“中日联合南海沉船水下考古调查队”，并于当年11月进行了首次水下考古调查。这次调查确认了沉船的确切位置，掌握了大批海底水文、水温、深度等第一手资料，为进一步调查、发掘奠定了基础。其后由于种种原因，中日合作未能继续进行。加之当时国家投入很有限，“南海Ⅰ号”水下考古调查与发掘工作被搁置下来。

直到2001年，在香港中国水下考古探索协会的赞助下，“南海Ⅰ号”的发掘工作才重新开始。香港中国水下考古探索协会的陈来发等人在资金、潜水器材、潜水手段等多方面给此次工作以巨大支持。此次调查工作还取得了新进展，水下考古专业人员首次在水下探摸到了沉船遗址上散落的凝结物与文物标本，并对其进行了精确定位。当年10月，考古队又对“南海Ⅰ号”的位置进行复查，再次探摸到大量文物。

2002年3月，“南海Ⅰ号”水下考古队在广州救捞局的协助下，对“南海Ⅰ号”进行了初步发掘，除发现沉船的船体、干舷、船舱外，还打捞出大量精美文物，其中陶瓷器具6000多件，完整者4000多件。此外，还有漆器、石制品、铁器、铜器、银锭及大量铜钱。同年8月，水下考古队再度对“南海Ⅰ号”进行了小规模探摸。

到了2003年1月和2004年5月，水下考古队又分别对“南海Ⅰ号”进行了以物探为主的调查工作；2004年9月，广东省文化厅委托交通部广州打捞局进行物探调查，对“南海Ⅰ号”有了更加清晰的认识，不仅掌握了“南海Ⅰ号”的长、宽等数据，还采集到海床30米以下的地质资料，为打捞与保护方案的制定提供了科学依据。广州打捞局与广东省文化厅共同制定了整体打捞方案。亚洲第一浮吊“华天龙”号全回转起吊船的建造为“南海Ⅰ号”的整体打捞提供了设备上的保障；2006年11月16日上午，广东省文化厅与广州打捞局签订合同，由后者对“南海Ⅰ号”正式实施整体打捞。

“南海Ⅰ号”发现以后近20年的摸索和调查工作的焦点之一无疑是确定一种合适的打捞方案。广东文物考古研究所水下考古研究中心副主任魏峻介绍说：“当年对如何打捞有很大的分歧。因为沉船位置的海况不好，淤泥回淤速度快，经常是今天挖一个坑，明天就填满了，而且这里属于渔业作业区，盗捞的风险也很大；2005年国家文物局召集的专家论证会上，21位到会专家进行了投票，其中18位赞同整体打捞，方案最终确定下来；在资金方面，整体打捞要比原地打捞多花几倍甚至十几倍的经费，但从保护角度，两种方案是不可比的，原地打捞容易损失历史信息，或者对信息造成二次破坏。所以对‘南海Ⅰ号’的保护，我们不计成本。”