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유카탄에 있는 치첸이트사와 그곳의 종교사원 유적을 발굴하여 마야 문명에 대한 많은 부분을 밝혔다.

톰슨은 정규 고고학 교육을 받지 못했지만, 정열적인 고물애호가였다. 1879년 마야 문명이 잃어버린 대륙 아틀란티스에서 기원했을지도 모른다는 글을 발표했다. 그는 마야 문명 연구에 시간을 낼 수 있다는 양해를 얻고 1885년 2월 14일 멕시코 메리다의 미국 영사로 부임했다.

이 직책을 맡고 나서 그는 마야 인디언과 친밀하게 지내면서 그들의 언어를 배우고 생활양식을 따랐다. 그들의 우의와 신뢰를 통해 그는 고대 마야의 전승 지식을 배웠고 발굴에서의 귀중한 조력자도 확보할 수 있었다. 그가 치첸이트사에서 행한 작업의 주요대상은 거대한 계단형 피라미드, 천문관측소, 제의적 경기가 행해졌던 증거가 있는 의례용 구장, 표범과 방패의 프리즈 장식과 내부에는 도시를 공격하는 전사의 벽화로 꾸며진 사원이었다. 치첸이트사의 '신성한 우물'의 물을 빼고 수면 아래를 조사한 일은 그의 가장 생산적인 노력이자 여러 해 동안 독특한 고고학 업적으로 여겨졌다.

실제로는 작은 호수인 이 우물은 바닥에 산다고 믿어졌던 비의 신을 달래기 위해 소녀와 포로로 잡힌 전사들이 산 채로 바쳐졌던 무덤이었다고 전통적으로 여겨져왔다. 톰슨은 물빼기용 장비와 심해 잠수도구를 확보하고 잠수기법을 배우기 위해 보스턴을 다녀왔고 더이상 물을 빼는 효과가 없자 우물로 내려가 많은 유골과 엄청난 고고학 유물을 발견했다. 그러나 멕시코 정부와의 불화로 그는 유카탄을 떠나야 했다. 자신의 탐사를 〈뱀의 사람들 People of the Serpent〉(1932)에서 회고했다.