בחודש יולי 2003 נערכה חפירה מצומצמת בחלקו הדרומי של הכפר פקיעין (הרשאה מס' 3950-A; נ"צ — רי"ח 2312/7640; רי"י 1812/2640) בעקבות פגיעה בשרידי יישוב פרוטוהיסטורי בעת חפירת יסודות למבנה. נוסף על כך נערך סקר לאיתור שטח היישוב הקדום בפקיעין (איור 1). החפירה והסקר, מטעם רשות העתיקות, נוהלו על ידי נ' גצוב בסיוע א' גרישנה (רישום), ח' טחן (ציור), מ' סמילנסקי (ציור כלי צור) ור' גצוב (מדידת GPS). בסקר השתתפו י' לרר, פ' אבו זידאן ור' גצוב.
הובחנו שלוש שכבות: שתיים תחתונות (II ,III) מן התקופה הכלקוליתית המאוחרת והעליונה (I) מתקופת הב"ק 1א.
שכבה III. על הקרקע הבתולה נחשף קיר (W16; איור 2) ולו נדבך אחד של אבני גזית גדולות. אל ראש הקיר, ממזרח, ניגש ריצוף (לוקוס 18; מפלס 547.07) עשוי אבנים קטנות, חרסים רבים ופריטי צור.
שכבה II. הצטברות שבראשה ריצוף (מפלס 547.38) הדומה ללוקוס 18.
שכבה I. הצטברות עפר ואבנים שבראשה רצפת אבנים קטנות (מפלס 547.70). על גבי שכבה זו היה סחף שעוביו כ-0.8 מ' שלא הכיל ממצא ארכיאולוגי משמעותי.
את הממצא משכבות III ו-II יש לשייך לתקופה הכלקוליתית המאוחרת והוא כולל כלי חרס אופיניים לגליל שרבים מהם מחופים בצבע אדום וכלים אחדים ממסורת כלי הגולן. בממצאי שכבה I היו חרסים שאריתיים מהשכבות הקודמות וחרסים מעטים שיש לשייך לתקופת הב"ק 1א ובהם כלים אפורים ממורקים.
בסקר אותרו ארבע חלקות שבהן נלקט ממצא מהתקופה הכלקוליתית ומתקופת הברונזה הקדומה. בחמש חלקות אחרות לא נמצאו ממצאים. ניתן להעריך את שטחו של היישוב הפרוטוהיסטורי של פקיעין בכ-100 דונמים (כ-200 × 600 מ'). לא ניתן לדעת אם היישוב היה בנוי בצפיפות או שהיו פזורים בתחומו מקבצי מבנים המרוחקים זה מזה. עם זאת, ראוי לציין שבכל החלקות שהעלו ממצא, הוא היה משתי תקופות היישוב שנמצאו בחפירה.
מחוץ לתחומי יישוב התקופה הכלקוליתית ותקופת הב"ק 1א, במדרון שמתחת לגרעין הקדום של הכפר, במדרגות חקלאיות שבקרבת קבר רבי יוסי ועין יוסי נאספו חרסים מתקופת הברונזה הקדומה 2. ככל הנראה הוקם שם יישוב.
החפירה והסקר הצביעו על קיומו של יישוב פרוטוהיסטורי גדול שהתקיים בחלקו המזרחי של עמק פקיעין בתקופה הכלקוליתית המאוחרת ובראשית תקופת הברונזה הקדומה. לגילוי היישוב הכלקוליתי יש גם תרומה רבה להבנת הממצא במערת הקבורה הגדולה שנחשפה מצדו השני של נחל פקיעין, במרחק של כ-400 מ' מחוץ לתחום היישוב (חדשות ארכיאולוגיות ק"ד:20–23). בתקופת הב"ק 2 הוקם יישוב חדש במדרגה גבוהה יותר מחוץ לתחומי היישוב הקדום.