천안운전리유적은 천안~병천간 도로확장 및 포장공사 과정에서 발견되었다. 총 A·B·C지구의 세 개 구릉에 대하여 발굴조사를 한 결과 청동기시대부터 조선시대에 이르는 유적이 확인되었다.
세 지구에서 모두 확인된 청동기시대 주거유구는 전기 흔암리형에 해당하는 생활유적으로 평면 형태가 세장방형이며, 내부에 노지를 갖추고 있고 주혈이 배치되어 있다. 일부 주거지에서는 초석이 확인된다. 주거지 주변에서 함께 발견된 수혈유구의 경우, 내부에 노지 등이 설치된 특징이 있으며 주거지 출토 유물과 비슷한 유물들이 출토됨에 따라 그 기능과 성격을 알 수 있다.
A지구에서는 돌널무덤 1기가 확인되었는데 평면이 장방형인 묘광(墓壙)을 굴착하였으며 주체 시설로 널과 덧널을 사용한 것으로 보아 초기에 조성된 것으로 보인다. 출토유물로는 공렬문(孔列文), 구순각목문(口脣刻目文), 단사선문(短斜線文)이 있는 토기류와 석부와 석도 등으로 천안 및 아산을 중심으로 한 이 지역의 청동기문화 양상을 보여주는 좋은 자료가 되었다.
이밖에도 원삼국시대에 해당하는 널이나 덧널의 흔적이 확인되지 않아 시신을 직접 매장한 것으로 보이는 2호·9호·18호등의 주구토광묘가 확인되었다. 이들은 장축방향이 등고선과 평행하게 조성되었으며 매장 주체 시설은 상자형의 목관을 사용하였다. 출토 유물들은 대부분 목관 및 목곽 내부와 주구에서 확인되었다. 기본적으로 원저단경호(圓底短頸壺)가 부장되어 있고 부분적으로 심발형(深鉢形) 토기가 공반되고 있으며, 쇠창, 쇠화살촉, 쇠도끼 등이 출토되었다. 한편, 천안과 아산 지역에서 출토되지 않는 양이부호 1점이 나와 주목받고 있다. 유적의 조성연대는 3세기 전반대로 편년된다.
조선시대의 수혈유구나 주거지는 주로 A지구에서만 확인되었으며 그 평면형태는 대부분 원형이다. 연대는 출토 유물의 양상으로 보아 조선 전기로 추측할 수 있으며, 이밖에 탄요나 석곽묘의 경우 훼손이 커 시기를 파악하는데 어려움이 있다.