בשנת 1993 הזמינה חברת כביש חוצה ישראל סקר ארכיאולוגי, קדם תכנון בתוואי המוצע של הכביש וכך החל אחד הפרויקטים הארכיאולוגים המורכבים ביותר בתולדות המדינה, פרויקט אשר בפועל מתנהל עד עצם היום הזה לצד התפתחותו של הכביש. ד”ר אלון שביט, מנכ”ל מכון ישראלי לארכיאולוגיה, עמד באותם ימים בראש הסקר הארכיאולוגי ומיד עם השלמתו מונה לנהל את הפרויקט הארכיאולוגי המורכב.
לאורך תוואי כביש חוצה ישראל אותרו מאות אתרים ארכיאולוגיים. מדינת ישראל הציבה לעצמה מטרה לבצע חפירות הצלה ב-90 הק”מ הראשונים של הכביש במהלך מהיר של כ-3 שנים. עומס העבודה הצפויה הביא למהפכה בתולדות הארכיאולוגיה הציבורית ולראשונה הוחלט לשלב את המכונים לארכיאולוגיה של האוניברסיטאות בארץ במשימה המורכבת. במהלך השנים הראשונות פעלו בו זמנית למעלה מ-5 משלחות ארכיאולוגיות בתוואי הכביש.
החפירות הרבות שהתבצעו לאורך הכביש הביאו לתמורה רבה במחקר הארכיאולוגי של ארץ ישראל. התגלו יישובי מערות מהתקופה הכלקוליתית (לפני כ-6,000 שנה) אשר לא היה כול מידע קודם לגביהם. נחשפו אתרי קבורה רבים באזור גמזו. איכותם של הקברים וכמותם המרשימה מחזקת את ההנחה שהיה זה הנקרופוליס (עיר המתים) של העיר לוד-דיוספוליס (עיר האלוהים), אשר הייתה עיר מרכזית בתקופה הרומית.
בין ראש העין למודיעין נחשפו כמה אתרי מנזרים אשר הוקמו בתקופה הביזנטית ושרדו גם לאחר הכיבושים המוסלמיים. נראה שהמנזרים הללו שימשו את דרכי עולי הרגל לירושלים.
עלויות הפעילות הארכיאולוגית בתוואי כביש חוצה ישראל חצו מזמן את רף ה-100 מיליון ₪ אך למרות היקף הפעילות ולמרות הפגיעה המסיבית בעתיקות שנדרשה לצורך פיתוח הכביש, חברת כביש חוצה ישראל כמעט ולא פעלה לפתח אתרים לצד התוואי ולהנגיש אותם לציבור הרחב. פעולה כזו הייתה יכולה לבטא איזון ראוי בין ערכי השימור לצרכי הפיתוח. יוצאת מן הכלל הינה אמת המים לרמלה, אשר נחשפה בשדות קיבוץ נען במועצה האזורית גזר, סמוך לתחנת השירות הדרומית של אלונית על כביש 6. אמת המים מן התקופה המוסלמית הקדומה הוליכה את מי מעיין ירדה הסמוך לתל גזר והיא היוותה מקור מים מרכזי לעיר רמלה. האמה שוקמה במימון חברת כביש חוצה ישראל וניתן להגיע אליה מתחנת האלונית על המסלול הדרומי (השער לאמה נעול ויש לבקש את המפתח בתחנה). לחילופין ניתן להגיע מקיבוץ נען.
