La cavidad fue descubierta, en 1875, por M. Sanz de Sautuola, quién practicó excavaciones en la misma. Así mismo, halló los grandes cuadrangulares negros del fondo de la cueva, entre 1875-1879. En 1879, y durante las excavaciones de Sautuola, su hija María descubrió los famosos policromos. En 1880, Sautuola da a conocer los resultados de sus investigaciones, originando desde ese momento una famosa polémica en relación con la autenticidad de las pinturas. El hallazgo de nuevos conjuntos rupestres en Francia, a finales del s. XIX, provocó que la cueva fuese definitivamente reconocida por la comunidad científica, en 1902. A lo largo del S. XX, la cueva es investigada por distintos arqueólogos, entre los que destacan, H. Breuil, H. Cartailhac, que publicaron un estudio en 1906, H. Alcalde del Río, quien realizó un estudio de las pinturas y practicó excavaciones en el vestíbulo (publicados en 1906), H. Obermaier y H. Breuil, quienes publican, en 1935, el estudio más completo de la cueva efectuado hasta la actualidad, etc. Con posterioridad, muchos han sido los especialistas que han investigado diferentes aspectos de Altamira entre los que podemos destacar el estudio del arte realizado por J. González Echegaray, en 1985. En el vestíbulo se han documentado niveles del Solutrense Superior y del Magdaleniense Inferior, con importantes muestras de arte mobiliar como los bastones de mando decorados y los omóplatos grabados. Altamira es enormemente rica en muestras de arte paleolítico, las cuales se distribuye por casi toda la cueva, siendo el vestíbulo y la denominada cola de caballo (galería final de la cueva), las zonas de mayor concentración. La Sala de los Policromos, sin duda el panel más conocido del Arte Paleolítico mundial y que ha sido denominada la Capilla Sixtina del arte cuaternario, contiene un gran conjunto de bisontes, aproximadamente una veintena, de gran tamaño y generalmente bicromos y grabados. Junto a ellos, y con las mismas técnicas de realización, hay una gran cierva, dos caballos y varios signos, entre ellos grandes claviformes en rojo con protuberancia central. También aparecen en la sala algunas manos en negativo moradas, varios caballos y bisontes en negro y un gran conjunto de grabados con ciervos, signos y varios antropomorfos. En las galerías del interior, y en la sala central, son muy frecuentes las grabados naturalistas, representando sobre todo ciervos y caballos y las pinturas negras de animales y signos. En la conocida como cola de caballo, destacan las conocidas máscaras, realizadas aprovechando las protuberancia de la roca y pintadas en negro. Además, hay un gran grupo de cuadrangulares en negro, ciervas incisas y varios grupos más de grabados y pinturas negras naturalistas. Altamira contiene santuarios de varias épocas. Los motivos más antiguos parecen ser los del interior de la cavidad, que irían del Solutrense Superior al Magdaleniense Arcaico. Los polícromos se sitúan en torno al 14.500 antes del presente (Magdaleniense inferior).