Το σπήλαιο ανακάλυψε ο Φίλιππος Χαντζαρίδης στις 10 Μαΐου του 1959 και έγινε γνωστό για τα παλαιοντολογικά και παλαιοανθρωπολογικά του ευρήματα ήδη από το 1960, μετά την τυχαία ανακάλυψη στο σπήλαιο από τον κάτοικο των Πετραλώνων Χ. Σαρηγιαννίδη, του περίφημου απολιθωμένου ανθρώπινου κρανίου.
Η αξία του ευρήματος και η μοναδικότητά του έδωσαν αφορμή σε μια σειρά εργασιών μέσα και έξω από το σπήλαιο.
Το 1968 και την περίοδο 1974-1988διενεργήθηκαν ανασκαφές στο σπήλαιο από τον (παλαιο)ανθρωπολόγο Άρη Πουλιανό.
Στις δημοσιεύσεις του Πουλιανού για το σπήλαιο γίνεται λόγος για λίθινα και οστέινα εργαλεία, ο προσωρινός όμως χαρακτήρας των δημοσιευμάτων δεν μας δίνει μια σαφή εικόνα τους.
Τα ευρήματα οπωσδήποτε είναι σπουδαιότατα και αποτελούν τις πρώτες μαρτυρίες κατοίκησης του ελληνικού γεωγραφικού χώρου.
Από ανθρωπολογικής άποψης το απολιθωμένο κρανίο είναι σπουδαιότατο εύρημα, όμως δεν υπάρχει ομοφωνία των ειδικών για την χρονολόγησή του και για την αξιολόγησή του.
Οι κύριες απόψεις αποκλίνουν σημαντικά και το κρανίο θεωρείται ως ανήκον σε άνθρωπο που έζησε περίπου 700.000 χρόνια πριν από σήμερα κατά την μία και περίπου 200.000 χρόνια πριν από σήμερα κατά την άλλη.
