李濟以大師的身價、講師的頭銜做了清華國學研究院導師，擔任的課程先後有普通人類學、人體測量學、古器物學、考古學等，其間還主持了一個考古學陳列室併兼任歷史系教授。令人稍感遺憾的是，在清華任教期間，李濟重點指導的研究生只有一個半。一個是後來中國龍山文化和南詔文化的發現者、著名考古學家吳金鼎；另半個是後來成為著名古文字學家的徐中舒。因徐氏主要從王國維研讀古文字學與殷周民族史，故在李濟的名下只能算半個。
在清華的日子，李濟與各位教授關係融洽，但走得最近的則是比自己大23歲的梁啟超，不僅緣於梁對李進清華有推薦保舉之恩，主要是二人對待近現代田野考古這門新興學科具有相同的眼光和熱情。梁啟超是最早介紹西方考古學理論、方法，並系統總結中國傳統金石學成果，極富遠見卓識的史學大師，也是一位非常重視遺址搜尋和田野發掘的熱心倡導者。此時的梁啟超正擔任著中國考古學會會長。而李濟則是一位血氣方剛，朝氣蓬勃，滿身透著西方文明浸染的富有科學知識與理念的青年才俊，用他自己的話說，像「剛出籠的包子」，熱氣騰騰，許多想法與梁啟超一拍即合，二人遂成亦師亦友的莫逆之交。由於梁、李都極為重視田野考古發掘所取得的第一手材料，李濟進入研究院後，在梁啟超的鼓動和弗利爾藝術館畢士博支持下，即著手讓考古人類學這門新興學問突破厚重的清華園圍牆，把教研課堂搬到田野中間，放開手腳做一番實實在在的現代學術事業。於是，便有了李濟在中國考古史上具有里程碑性質和決定未來田野考古學這門學問路徑走向的山西考古之旅。
1926年2月5日，李濟與地質學家——曾隨瑞典著名學者安特生髮掘聞名於世的仰韶文化的袁復禮同赴山西，沿汾河流域到晉南作考古調查。其間發現了幾處新石器時代的彩陶遺址，取得了一些標本。在初步確定幾個可供發掘地點後，二人於3月底返回清華園。同年10月，由李濟直接協調洽談，清華校長曹雲祥出面，清華國學研究院和美國弗利爾藝術館共同組織，並由對方出大部分經費，李濟、袁復禮主持的山西夏縣西陰村田野考古發掘協議達成。按照協議規定，發掘古物永久留在中國，論文用中英文撰寫並在中美兩國學術刊物上發表。——這是中國人自己主持的第一次正式的近代科學考古發掘嘗試，也是李濟在清華任教的幾年間做成的唯一一次田野考古發掘事業。對於這次發掘的意義和評價，許多年後，李濟的學生、哈佛大學人類學系主任、著名考古學家張光直曾言：「這第一個中外考古合作計畫所採取的立場是明確的：學術是天下之公器，中外合作是可以的，而且在當時條件下還是必需的，但古物是公有的，而且是國有的。李濟先生的國際地位與國際眼光並沒有使他在愛國、在維護國家權益上作任何的讓步。這種眼光遠大的愛國精神是李濟先生一生從事學問從事事業的特色。」此次發掘，由於其在中國考古史上具有開創性意義與奠基性地位而載入史冊。
梁啟超對於此項中外合作發掘事宜極感興趣，主動給予大力關懷與支持，李濟後來曾深情地回憶道：「梁啟超教授是非常熱心於田野考古的人，他主動地把我推薦給山西省模範省長閻錫山。」因有了閻老西政府的撐腰和關照，使得這次考古發掘非常順利。
當此之時，梁啟超的次子梁思永正在大洋彼岸美國哈佛大學就讀，主攻考古人類學專業。這一專業的選擇來自於梁啟超的精心策劃與安排。具有博大學術眼光和強烈民族責任感的梁任公，眼望世界範圍的考古學迅猛發展，而號稱有五千年文明史的中國境內，從事考古工作的人都是以各種名義來華的外國學者，如瑞典人安特生（J.G.Andersson）、加拿大人步達生（Davidson Black）、德國人魏敦瑞（J.F.Weidereich）、法國人德日進（Pierre.Teilhardde.Chardin）、日本人鳥居龍藏、水野清一等等。對這種現狀頗為不滿和不服氣的梁啟超，很希望有中國人自己出面做這一工作，認為「以中國地方這樣大，歷史這樣久，蘊藏的古物這樣豐富，努力往下作去，一定能於全世界的考古學上佔有極高的位置」。
正是有了這樣一種眼光和信心，決心以學術薪火傳家立業的「飲冰室主人」，才讓長子梁思成赴美國學習建築，次子梁思永學習考古。這一安排，皆是為了讓當時不受中國學術界重視的冷僻專業，能夠在中國大地上生根、發芽、成長、壯大，「為中華民族在這一專業學問領域爭一世界性名譽。」他在致子女的信中說：「思成和思永同走一條路，將來互得聯絡觀摩之益，真是最好沒有了。」後來的事實證明，梁啟超的目的達到了，梁思成與梁思永學成歸國後，分別成為自己專業學科中領一代風騷的宗師，只是天不假年，梁啟超沒能親眼看到這一天的到來。
1926年12月10日，梁啟超在寫給次子梁思永的家信中，多次提到李濟的田野考古發掘：「李濟之現在山西鄉下（非陝西）正採掘得興高采烈，我已經寫信給他，告訴以你的志願及條件，大約十日內可有回信。我想他們沒有不願意的，只要能派作實在職務，得有實習機會，盤費、食住費等等都算不了什麼大問題。」此前，梁思永在美國學習期間，曾參加了印第安人遺址的發掘，他寫信給父親梁啟超，表示想回國實習並搜集一些中國田野考古資料。為此，梁啟超向這位遠在異國他鄉的兒子提供了有關統計資料，還為其回國後的實習機會和條件作了精心安排。從信中可以看出，梁思永一旦回國，則可跟隨李濟到田野去一試身手。
李濟和袁復禮在山西工作了兩個多月，直到12月30日方結束。此次發掘收穫頗豐，共採集了七十六箱出土器物，分裝九大車，於次年元月初，歷盡數次艱險磨難和幾個晝夜的風餐露宿，總算把古物安全無損地押運到清華國學研究院。山西夏縣西陰村遺址的成功發掘，揭開了中國現代考古學的序幕，標誌著現代考古技術在遠東這塊古老大地上作出了突破性示範。作為人類學家的李濟也由這次發掘而正式轉到了考古學領域探索與實踐中，從而奠定了其在中國現代考古學發展史上開一代先河的大師地位。
1927年1月10日，清華國學研究院歡迎李濟、袁復禮二人山西考古發掘成果的茶話會在眾人期待中召開。繼張彭春之後出任清華大學教務長兼理國學研究院事務的梅貽琦、國學院導師王國維、梁啟超、陳寅恪、趙元任及全體助教、研究生出席了會議。李濟首先介紹發掘西陰村遺址的情況，選擇這個遺址是因為《史記》上記載：「堯都平陽，舜都蒲坂，禹都安邑」，這些行政名城都在今天的山西省南部。又說這次發掘不是亂挖的，而是嚴格地一層一層挖下去。袁復禮插話補充說：「我同李先生從某地尋找到某地，我敢於同他賭咒：如果能在這裡找到新石器文化遺址的話，我決不相信。後來到了西陰村，真的找到了，我就認輸。我們用的『刮地皮』（的方法），一層層刮……」當時罵軍閥搜刮民財稱「刮地皮」，袁復禮把這個名詞移到考古發掘的方法上，頗為形象生動，師生們聽罷不禁開懷大笑。
西陰村遺址的出土物大多是殘破的陶片，因知識與眼界所限，研究生們看罷有點不知所云，當一個半腐的、經過人工切割的小小蠶繭現身時，大家的興趣才一下子提了上來。只見：
助教王庸端著一盒子遺物上來，其中有被割裂過的半個蠶繭。同學都伸長了脖子看。有人說我不相信年代那麼久還是這樣白（實際是用棉襯著）；有人說既然是新石器時期 的遺物，究竟用什麼工具割它？靜安先生說，那時候未始沒有金屬工具。（他）同時提到加拿大人明義士的話說：「牛骨、龜骨是用耗子牙齒刻的。」李老師拿出一塊彷彿石英一樣的石片，說這種石頭是可以刻［割］的……呈絲狀的半個繭殼，顯然是用銳器切割過，用顯微鏡考察，割的部位平直，繭殼仍舊發光，與西陰村現在的蠶繭比較，比那最小的還要小一點。展覽中，李濟特彆強調：「這繭埋藏的位置差不多在坑的底下。它不會是後來的侵入，因為那一方的土色沒有受擾的痕迹；也不會是野蟲偶爾吐的，因為它是經過人工的割裂。」而這半個經銳器切割的蠶繭，當是一種「文化的遺留……這個發現替我們辟了一條關於在中國北部史前研究的新途徑。中國有歷史就有關於蠶業的記載，它是中國文化的一個指數，較之安特生所說的陶鼎與陶鬲尤為可靠。」
梁啟超聽取了李、袁二人作的長篇報告並觀摩了實物，精神亢奮，欣喜逾常，回到寓所的當天晚上，便以極大的興緻給遠在大洋彼岸的兒子梁思永寫了一封長達二千餘字的長信。信中充滿激情地說道「他（南按：李濟）把那七十六箱成績，平平安安運到本校，陸續打開，陳列在我們新設的考古室了。今天晚上，他和袁復禮（是他同伴學地質學的）在研究院茶話會裡頭作長篇的報告演說，雖以我們的門外漢聽了，也深感興味。他們演說裡頭還帶著講他們兩個人『都是半路