La grotta originaria è lunga 270 metri e consiste di una serie di passaggi intrecciati e di camere. Il cunicolo principale ha un’altezza variabile dai due ai sei metri. La caverna si è formata grazie al crollo di precedenti fenomeni carsici nella roccia calcarea del monte Vispieres.
Gli scavi archeologici nel fondo della cava hanno portato alla luce ricchi depositi di arte del Solutreano superiore (circa 18.500 anni fa) e del Magdaleniano inferiore (tra i 16.500 e i 14.000 anni fa). Nel lungo intervallo di tempo fra questi due periodi di occupazione umana la grotta è stata usata solo da animali selvatici. Il sito si trova in un punto strategico per poter sfruttare la disponibilità di cibo costituito dalla ricca fauna che abitava le vallate delle montagne circostanti. Circa 13.000 anni fa una frana bloccò l’entrata della caverna, preservandone così il contenuto fino alla scoperta casuale avvenuta nel 1879 in seguito al crollo di un albero.
L’occupazione umana della grotta è stata limitata all’entrata, nonostante siano state trovate pitture per tutta la lunghezza del cunicolo. Gli artisti usarono carboncino e ocra o ematite per dipingere, spesso diluendo i colori per produrre tonalità diverse e creare così effetti di chiaroscuro; sfruttarono anche i contorni naturali dei muri per dare un’impressione di tridimensionalità ai soggetti. Il Soffitto Multicolore è l’opera più appariscente e mostra un branco di bisonti in differenti posizioni, due cavalli, un grande cervo e probabilmente un cinghiale.
La datazione di queste opere si può far risalire al Magdaleniano per quanto riguarda animali e forme astratte. Le immagini attribuite al Solutreano raffigurano invece cavalli, capre e impronte di mani. Numerose altre caverne nel nord della Spagna contengono esempi di arte paleolitica, ma nessuna di loro è qualitativamente o quantitativamente paragonabile ad Altamira