Jaskyňa je známa od roku 1868, ale až v roku 1879 Marcelino Sanz de Sautuola spolu so svojou dcérou Máriou objavili v nižšie položenej jaskynnej hale, vzdialenej asi 30 m od vchodu do jaskyne, slávny strop, kde je maliarskymi prostriedkami vyobrazená skupina 25 zvierat, na ktoré sa v praveku poľovalo (prevažne bizóny, prabýci, divé kone, diviaky, kozorožec, laň a vlk). Rozmery vyobrazení jednotlivých zvierat sú pomerne značné (150 x 225 cm). Zvieratá sú naskladané do súvislej plochy v rôznych polohách, stojace, ležiace, rútiace sa, sediace na zadnej časti tela. Majstrovská je technika maľby aj farebné podanie, používajúce hlavne prírodné okry a hnedočervené tóny. Maľby sa všeobecne považujú za vrcholné dielo staršej doby kamennej.

Francúzsky vedec Henri Breuil nazval altamirskú jaskyňu „Sixtínskou kaplnkou praveku". Do skupiny jaskýň s takýmito maľbami patria aj ďalšie nálezy ako v Lascaux, Les Combarelles, Font-de-Gaume atď. Keďže altamirská jaskyňa bola prvým náleziskom pravekých nástenných malieb, vznikli pochybnosti a viedli sa dlho spory o ich pravosti. Až objavenie ďalších lokalít potvrdilo oprávnenosť hypotéz o existencii ďalšieho umeleckohistorického javu v dejinách - výtvarného prejavu.
Jaskyňa ležala na výhodnom mieste a jej obyvatelia mohli využiť hojnosť zveriny, ktorá sa pásla v okolitých údoliach, ako aj možnosť využiť blízko ležiace pobrežné oblasti. Priestory však neboli obývané nepretržite. V rôznych medziobdobiach sa sem uchyľovala zver. Asi pred 13 000 rokmi štrkový nános uzavrel vchod do jaskyne a zakonzervoval ju až do doby, keď výbuchmi v blízkom kameňolome, bol otrasmi znovu otvorený.

Postupne sa začali vynárať ďalšie a ďalšie nálezy. V roku 1895 našiel E. Riviére maľby vo francúzskej jaskyni La Mouthe, no aj on sa stretol s nezáujmom odborníkov. I v jaskyni Marsoulas, zasypanej a neprístupnej až do roku 1897, objavili na stenách obrazy zvierat, ale i tieto prejavy umenia skeptici odmietli. Až začiatkom 20. storočia pod vplyvom neustáleho nachádzania nových jaskynných malieb sa prístup vedcov začal meniť. Uznávaný profesor E. Cartailhac v roku 1902 verejne priznal svoj omyl ohľadne Altamiry a uznal pravosť malieb nájdených dcérkou Marcelina de Sautuolu.
To sa už hlásili o slovo archeológovia zo Španielska a Francúzska a odkrývali tisícky rokov staré obrazy z jaskýň v Kantaberských vrchoch, Pyrenejách a oblasti Dordogne. Najslávnejšie nálezy pochádzajú z francúzskych jaskýň Trois Fréres, Lascaux, Rouffignac, Niaux, Le Portel a španielskych El Castillo, Los Hornos, La Passiega a samozrejme Altamira. Hoci drvivá väčšina týchto paleolitických malieb je z nálezísk západnej Európy, sú zaznamenané i v Kapovej jaskyni na Urale, v lokalite Tomsk na Sibíri a v jaskyni Ait Cenker v Mongolsku.

Hoci odborníci definitívne potvrdili pravosť malieb a uznali ich vek, stále pred nimi ostávalo niekoľko otáznikov. Prečo sú na niektorých obrazoch zvieratá, ktoré v danej oblasti nežili a teda nemohli byť súčasťou "jedálnička" pravekého lovca? Čo symbolizujú akési mýtické bytosti polozvierat poloľudí objavené hlavne v jaskyniach Trois Fréres či Gabillou? Na časť otázok dokázali nájsť experti odpoveď, no iné zostávajú zahalené rúškom tajomstva dodnes…
Niektoré praveké jaskynné obrazy môžeme chápať ako scény. Ide napríklad o hlavy jeleňov z Lascaux, ktoré sa často označujú ako scéna plávajúcich jeleňov v rieke. To by vysvetľovalo, prečo praveký umelec nakreslil iba hlavy, vytŕčajúce z "vody". Zaujímavá je i scéna z jaskyne Teyjat vo Francúzsku, kde býk prenasleduje kravu, alebo maľba dvoch sobov z Font du Gaume. Jeden zo sobov leží na zemi, druhý sa pasie a skláňa k nemu hlavu. Časté sú i vyobrazenia súbojov dvoch zvierat, alebo lovecké scény, na ktorých je niekedy zachytený i človek.
Drvivá väčšina týchto nádherných diel je namaľovaná na ťažko prístupných miestach. Nachádzajú sa v temných vnútorných chodbách, ďaleko od vchodov do jaskýň, kde nepreniklo denné svetlo. Umelci pracovali často v úplnej tme, niekedy za pomoci malých miskovitých lampičiek, v ktorých spaľovali zvierací loj. Niektoré maľby sú vo veľkých výškach, až niekoľko metrov nad zemou, takže ľudia pri ich vytváraní museli stáť na rebríku alebo primitívnom lešení. Nájdeme ich v rozľahlých sieňach, ale i maličkých, úzkych chodbičkách, v ktorých maliar pracoval v skrčenej polohe celé hodiny.
Najnovší nález v jaskyni Chauvet z roku 1995 prinútil odborníkov posunúť začiatky pravekého umenia ešte hlbšie do minulosti. Človek typu Homo Sapiens Sapiens tu totiž namaľoval zvieratá už pred tridsaťtritisíc rokmi! Porovnávaním s inými lokalitami sa prišlo nato, že maľby z Chauvetu sú nielen najstaršie, ale aj najprecíznejšie vytvorené.