在周口店停工期间，裴文中曾和杨钟健等一起，考察洛阳—西安间的第四纪地质、仰韶文化遗址以及江南山洞中的堆积。裴申提到，这拓宽了父亲的研究领域，使他初次涉猎第四纪地质。
　　 事实上，裴文中在考古发掘中的研究对象从来就不只是古人类，他还研究各种成因类型地层中的哺乳动物化石。第四纪哺乳动物学及其相关的生物地层学，是他除舊石器时代考古学之外，另一个重要的研究领域。
　　 裴文中的学生张森水曾在先生的传略中提到，他记述过哺乳动物大量的新属种，对第四纪哺乳动物演化提出了许多富有独创性的见解，还建立起了若干个生物地层学标准剖面。
　　 例如，裴文中通过分析中国境内发现的哺乳动物化石，根据区域组分的差异，把中国境内第四纪哺乳动物的地理分布划分成了四大区——华北区、华南区、淮河区和东北区，第一次勾画出了一个中国第四纪的生物地层框架。
　　 他通过中外第四纪哺乳动物的对比研究，探讨了第四纪哺乳动物体型增大和缩小的过程。过去，古生物学认为，在每一个古生物的小分支中，都是从小体型开始，以后体型逐渐增大。当它达到最大体型阶段，这一分支就灭绝了。但裴文中对这一定律作了必要的补充。他敏锐地找到证据，指出第四纪时，在一定时间和一定环境中，还有一些哺乳动物的体型是缩小的，这同样是生物的一种或一个小的分支开始衰亡或者行将绝灭的表现。
　　 裴文中学术生涯涉猎之广度和深度，让他有了全能型学者的称号。