בשטח אגן נחל חילזון נמצאים האתרים הארכיאולוגיים המוכרים הבאים:

1. ח' מרג'ם. על גבעה ממזרח לסח'נין, יישוב רב תקופתי למן תקופת הברזל והתקופות הפרסית, הביזנטית והממלוכית.
2. נחל אשבל (אבו ג'זאלה). יישוב קטן הכולל שרידים מתקופת הברזל ומהתקופה הפרסית.
3. חורבת פח'יר. בראש כיפת הר, שרידי מבנה, אחוזה ובאר מים מהתקופה הביזנטית.
4. באר רחץ (ביר אל-ח'שב). באפיק הנחל (נקודה 2 במפת הסקר), באר עם בריכה מודרנית.
5. נחל חילזון. טרסות חקלאיות, בור מים, מערה וחציבות מן התקופות הרומית והביזנטית.
6. מערת חילזון עלית. במילויי הריסות הטרסה שבמבואות המערה נמצאו כלי צור המתוארכים למן התקופה האפיפלאוליתית עד לתקופה הניאוליתית הקדם-קרמית.
7. מערת חילזון תחתית. מערה המיוחסת לתרבות הנטופית המאוחרת, שימשה בית קברות אזורי בתקופה זו (נקודה 3 במפת הסקר).
8. כפר שעב. יישוב רב תקופתי למן התקופה הרומית ועד ימינו.
9. ביר חנני. באר אנטיליה סמוך לכפר שעב מצפון, בנויה באבני גזית המעידות על מגוון שיטות בנייה מכמה תקופות. ייתכן שראשיתה עוד בתקופה הרומית; השימוש בה נמשך עד לתקופה המודרנית.
10. חורבת יענין. מעל גבעה, אתר שבו חומות, בורות מים, קברים של יישוב רב תקופתי למן התקופה הכלקוליתית ועד לתקופה העות'מאנית (נקודה 6 במפת הסקר).
11. נחל חילזון. פיזור של אבני צור מתקופה לא מזוהה.
12. נקודת טריאנגולציה C833. שרידי יישוב מהתקופות ההלניסטית והממלוכית ופיזור צור וחרסים מתקופת הברונזה התיכונה.
13. ארד אל-סמרה. יישוב רב תקופתי חשוב שבו שרידים מהתקופות האפיפליאוליתית, הניאוליתית והכלקוליתית, ומן התקופות הפרוטו-היסטוריות למן תקופת הברונזה הקדומה ועד לברונזה הביניימית (חדשות ארכיאולוגיות 122; חדשות ארכיאולוגיות 123).
14. בריכת דגים צפונית של כפר מסריק: שרידי יישוב קטן מהתקופה העות'מאנית.
 
נתגלו אתרים נוספים הקשורים במים ובחקלאות בתוואי הנחל ובסביבתו הקרובה (ר' איור 1).
1. בריכת דיר חנא (נ"צ 234173-311/752754-854). בריכה מלאכותית בלב העמק, בקטע הגבוה של הנחל מצפון לדיר חנא. צורתה לא רגולרית (כ-200×100 מ', כ-4 מ' עומק).
2. קיר טרסה (נ"צ 225977-7065/755615-56). כ-200 מ' ממנו, לאורך הגדה הצפונית של הנחל, קיר דיפון (9.8×1.2 מ', כ-1 מ' גובה) בנוי מבולדרים ואבנים.
3. קיר טרסה (נ"צ 225848-923/755624-82; 68×1.2 מ', כ-1 מ' גובה) בציר מזרח–מערב, מטרים ספורים מצפון לנחל, בנוי מבולדרים גדולים ואבני שדה במגוון גדלים (איור 2). הקיר מקביל לתוואי זרימת הנחל ונראה כי שימש קיר דיפון לגדה הצפונית שגרם להטיית הזרימה מעט דרומה.
4. כבשן זכוכית (נ"צ 223386/755352; איור 3). אבני גזית גדולות (הגדולה 0.6×0.5 מ', 0.4 מ' עובי) שביניהן מילוי אדמה אפורה עם אפר. נלקטו חרסים אחדים המתוארכים לתקופה הביזנטית (המאות הה'–הו' לסה"נ), וחרס מזוגג אחד מן התקופה הצלבנית (המאה הי"ב לסה"נ). גוש זכוכית תעשייתית ואפר וחומר שרוף מעידים על כבשן זכוכית שהיה במקום.
5. עצי זית עתיקים (נ"צ 222316-3151/755388-631, איור 4). נמצאו עשרות עצי זית עתיקים הנטועים בתוך כרמי הזית בבקעת שעב, בקטע המרכזי התחתון של הנחל. לחלק גדול מן העצים גזעים גדולים ולרוב חלולים, אחדים מהם רחבי היקף (5.5–6.5 מ'). חלק מן העצים נמצאו בשורות סדורות, במרחק קבוע של כ-11 מ' בין עץ לעץ, עדות לנטיעה בחלקות מתוכננות כבר בעבר.
6. באר יענין (נ"צ 220810-22/755647-55; איור 5), מצפון לחורבת יענין, מבנה מלבני מדורג דו- מפלסי, הרוס ברובו. המפלס התחתון המשמש מסד (11.6×8.6 מ' כ-0.3 מ' גובה) בנוי מנדבך אחד של אבני גזית גדולות ובינוניות (הגדולה 0.7×0.3 מ' כ-0.25 מ' עובי). המפלס העליון (10.5×6.4 מ') מחולק לשני אגפים: מזרחי, חדר מרובע (3.3×4.0 מ') שבמרכזו פתח עגול של באר (כ-1 מ' קוטר) ומערבי, בריכה מרובעת (4.3×5.0 מ'), מטויחת מבפנים, כולל הדפנות, בשכבה עבה (5 ס"מ) של טיח הידראולי עשוי גיר כתוש מעורבב עם גריסי חרסים ואפר. מתחת לטיח הובחנה שכבת דיפון עשויה משברי כלי חרס, אולי מהתקופה הצלבנית.  
 
באגן נחל חילזון נמצאים אתרי עתיקות המייצגים את כל תקופות ההתיישבות הקדומה בארץ, למן התקופה האפיפליאוליתית ועד לתקופה העות'מאנית.
הממצאים בתוואי הנחל קשורים לרוב במים שזרמו בנחל. החקלאות העתיקה הייתה של כרמי זית מתוכננים שמעטים כמותם נמצאו בארץ.