Als uit het archeologisch vooronderzoek blijkt dat binnen het onderzochte terrein archeologische resten aangetroffen kunnen worden en aanpassingen van de voorgenomen bodemverstorende activiteiten niet kunnen voorkomen dat deze resten worden aangetast, dan kan vanuit het bevoegd gezag besloten worden dat een proefsleuvenonderzoek nodig is. Voorafgaande aan een proefsleuvenonderzoek dient een Programma van Eisen (PvE) te worden opgesteld.

Bij een proefsleuvenonderzoek wordt binnen een van te voren bepaald deel van het te onderzoeken terrein de bovengrond met behulp van een graafmachine verwijderd tot op een diepte waarop archeologische waarden te verwachrten zijn.  Archeologische grondsporen die zo aan het licht komen, worden ingemeten en gefotografeerd, en er worden monsters genomen om tot een datering en waardebepaling van de vindplaats te komen. Dit kunnen resten zijn van afvalkuilen, sloten, menselijke begravingen en paalgaten. Paalgaten zijn soms tot boerderijplattegronden of andere gebouwen te herleiden. Archeologisch materiaal zoals aardewerk en bewerkt vuursteen, wordt systematisch verzameld en geconserveerd. In veel gevallen wordt ook het bodemprofiel beschreven door een fysisch geograaf. Het is echter ook mogelijk dat er bij het proefsleuvenonderzoek geen archeologische waarden worden aangetroffen. 

Het onderzoek leidt tot een rapportage waarin de resultaten van het proefsleuvenonderzoek worden beschreven en een waardeoordeel wordt gegeven van de vindplaats. Op basis van dit rapport en de waardering van de vindplaats wordt door het bevoegd gezag besloten of de vindplaats kan worden vrijgegeven, of dat de voorgenomen bodemverstorende activiteiten archeologische begeleid moeten worden, of dat een archeologische opgraving van de vindplaats moet plaatsvinden. Het kan zelfs zo zijn dat de vindplaats moet worden behouden. Er is dan sprake van een zogenaamd archeologisch beschermd gebied.