Através da leitura de cronistas que se referiram a Vitcos e Vilcabamba Bingham ficou sabendo da existência de cidades abandonadas nas montanhas do vale do rio Urubamba. Entre estes cronistas destaca-se o escritor inglês Charles Winner que publicou um livro em 1880 onde descreve suas viagens através do Peru e da Bolívia e menciona num mapa os nomes de Machupicchu e Waynapicchu. Outras referências sobre Machupicchu e Waynapicchu, antes de Bingham, podem ser encontradas no Arquivo Histórico da Universidade de Cuzco nos documentos referentes à limites e domínios da fazenda "Cutija" ou ainda em documentos sobre os limites da província de Urubamba.
Em 1910 o norte-americano Alberto A. Giesecke torna-se reitor da Universidade Nacional de Cuzco e passa a apoiar toda iniciativa referente à arqueologia. Em 1911 ele visita a fazenda "Echarati", na então região de Mandor, de propriedade de Don Braulio Polo y la Borda e ouve deste que em sua propriedade haviam diversas construções antigas cobertas de vegetação e que entre elas se destacava umas ruínas num local chamado de Machupicchu pelos moradores locais. De volta a Cuzco, Alberto Giesecke escreve a Bingham sobre estas referências. Neste mesmo ano Bingham retorna ao Peru com o objetivo de fazer pesquisas em geologia e botânica e procurar Vilcabanba que ouvira nas histórias locais. Em Cuzco Alberto Giesecke o apresenta a Braulio Polo dono da fazenda em Mandor quem confirmou a Bingham sobre os fatos. Braulio posteriormente apresentou Bingham a Eduardo Lizárraga, que era um arrendador de terras na região desde os anos 1870 e que havia visto pessoalmente as construções.
Em 23 de julho de 1911 Bingham foi até Mandor com um sargento do exército peruano que foi designado para acompanha-lo por ordem do prefeito de Cuzco. No cânion do rio Urubamba se encontraram com Melchor Artega que seria o guia para chegar até as ruínas. "Quando descobriu que eu estava disposto a pagar-lhe um sol, ou seja, três vezes o salário que ele ganhava em seus vencimentos, consistiu finalmente em ir". No dia seguinte, após examinar o terreno, Bingham decidiu subir pelo setor onde hoje existe a estrada em ziguezague que leva seu nome
Ao meio dia de 24 de julho de 1911, chegaram a uma pequena cabana onde vivia uma família de camponeses que cultivavam as terrazas Incas e que os recebeu com "uma deliciosa água fresca e batata-doce cozida". Após um breve descanso um dos filhos dos agricultores, Pablito Alvarez de 11 anos de idade, levou Bingham até as edificações que estavam totalmente cobertas pela vegetação de vários séculos. "Centenas de terraços para cultivo se erguiam em camadas como gigantescos degraus". "Esse espaço todo seria suficiente para alimentar uma cidade inteira!". Bingham tinha então 35 anos de idade.
"Na minha excitação, esqueci o cansaço e corri até o emaranhado de galhos". Naquele momento, depois de derrubar um pouco do mato de alguns setores, Bingham acreditou que havia encontrado Willkapanpa, o último refúgio do líder Manko Inka e posteriormente pensou mesmo estar em Pacaritambo ("pousada do amanhecer"), de onde os Irmãos Ayar, um dos dois mitos da origem do povo Inca, haviam empreendido sua marcha até Cuzco (A outra lenda de origem dos Incas diz que o primeiro Inca, Manco Capac e sua esposa, Mama Ocllo emergiram do lago Titicaca). Mas anos depois comprovou-se que as suposições de Bingham estavam incorretas.
Logo em seguida a esse primeiro contato, Bingham retornou aos EUA onde obteve apoio financeiro da Universidade de Yale e da National Geographic Society para realizar trabalhos de exploração em Machupicchu. Em seu retorno em 1912 o governo peruano lhe concedeu uma autorização para executar seus projetos inclusive permitindo tirar livremente do país as peças obtidas durante suas explorações, desde que prontamente devolvidas quando solicitadas pelo Peru. Hoje, tem-se consciência que foi uma autorização que infringiu muitas normas e causou um dano irreparável à herança cultural do Peru. Neste mesmo ano, Bingham esteve em Copacabana e Tiahuanaco na Bolívia.
Em 1915 ele retornou ao Peru, patrocinado pelas mesmas entidades, e realizou uma segunda expedição explorando as construções que estão ao longo do Caminho Inca e as vias de acesso à região.
Alguns historiadores peruanos alegam que Bingham pilhou e não "descobriu" Machupicchu. Segundo estes historiadores, com ajuda de uns e ignorância de outros, Bingham levou grande quantidade de objetos de ouro, múmias e obras de arte que hoje estão espalhados em coleções particulares e em alguns museus nos EUA. Algumas peças das expedições de Bingham podem ser vistas em exposição no museu Peabody da universidade de Yale.
Outros afirmam que Machupicchu foi redescoberta pela primeira vez em 14 de julho de 1901 pelos agricultores peruanos Mariano e Agustín Lizárraga que deixaram uma inscrição com seus nomes e a data de chegada num dos monumentos.
É certo no entanto que foi Bingham quem revelou Machupicchu para o mundo. Antes dele outros já haviam estado pelas ruínas da eterna cidade, mas sem o interesse histórico e científico com que Bingham explorou o local.
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