As pinturas e gravuras da caverna pertencem ao Paleolítico Superior, principalmente aos períodos Magdaleniano (entre 14 500 e 12 000 a.C.) e Solutreano (16 500 a.C.), embora testes usando séries de urânio avalie a data para cerca de 32 000 a.C., no começo do Aurignaciano. O estilo de grande parte das suas obras enquadra-se na denominada "escola franco-cantábrica", caracterizada pelo realismo das figuras representadas. Contém pinturas policromas, gravuras, pinturas pretas, vermelhas e ocres que representam animais, figuras antropomorfas, desenhos abstratos e não figurativos.

Qualificativos como: "Capela Sistina" da arte rupestre; "...a manifestação mais extraordinária desta arte paleolítica...", "... a primeira caverna decorada que se descobriu e que contínua sendo a mais esplêndida"; e "...se a pintura rupestre [paleolítica] é o exemplo de uma grande capacidade artística, a caverna de Altamira representa a sua obra mais sobressalente", indicam a qualidade e beleza do trabalho do homem magdaleniano neste recinto.