不久，對“南海一號”的大規模考察和局部打撈工作正式開始。2002年3月，當張威和其他隊員鑿開一個窗口進入船艙時，他們驚呆了：僅在一個面積幾平方米的小艙內，他們就撈起了幾千件精美絕倫的文物，絕大多數瓷器完好無損！當他們將幾千件文物陸續運到水面上時，水下考古隊員們十多年打撈“南海一號”的心愿終于實現。

從打撈上來的物品看，“南海一號”是一艘外銷的商船，裝載的瓷器匯集了當時著名的景德鎮的影青瓷、福建德化的印白瓷等四個窯系的瓷器。

其實，比瓷器更重要的就是沉船本身。這艘800年前的沉船，它造船工藝的精湛，不僅在當時的中國絕無僅有，而且在世界上也屬罕見。“南海一號”長 30.4米，寬9.8米，是迄今世界上發現的年代最早、船體最大、保存最完整的古代遠洋貿易商船，對“南海一號”的研究，很可能成為研究“海上絲綢之路” 的新起點。

專家們經過兩年多的反復論證，經國家文物局批準，決定采用將“南海一號”沉船整體打撈出水的方案，這在世界水下考古史上尚屬首次。

2007年6月“南海一號”打撈工作正式開始。12月21日進行試吊工作，試吊是整體打撈工作的重要部分，是對“華天龍”打撈船的吊環、鋼索進行定位，為成功起吊做準備。22日，“華天龍”打撈船將“南海一號”吊出水面，平穩安全地放到半潛駁船上。7天后，裝載“南海一號”的沉箱安全進入廣東海上絲綢之路博物館的水晶宮內，歷時200多天的“南海一號”整體打撈工程終于畫上了圓滿的句號。

2009年8月18日試掘工作開始，經過近一個多月的發掘，出水了來自江西景德鎮、福建德化等民間窯里的瓷器兩百多件，現代科技終于讓在水下沉睡近800年的“南海一號”揭開神秘面紗。