Le site archéologique conservé dans le vestibule de la grotte se structure en 8 niveaux archéologiques:
À Altamira, la période Magdalénienne est la mieux datée, grâce à l’application du carbone 14 à certaines peintures réalisées avec du charbon végétal. Les figures les plus anciennes n’étaient pas encore datées, parce qu’elles étaient gravées ou bien peintes avec du pigment rouge. Leur datation est plus compliquée en l’absence de matière organique dans leur composition. Leur âge peut être déduit sur la base d’autres critères, comme des critères stylistiques si on les compare à des objets d’âge connu, et aussi par rapport aux occupations humaines de la grotte.
Il est aussi possible aujourd’hui d’appliquer une méthode basée sur la série de l’Uranium qui était déjà utilisée depuis des années pour la datation de croûtes et formations calcaires, et qui permet en plus de réduire la taille de l’échantillon à quelques milligrammes seulement. Les résultats pour la grotte d’Altamira furent particulièrement intéressants pour un signe peint en rouge au centre de la Salle des Polychromes, dont la date est de 35 600 ans avant le présent. Ce qui le situe pendant l’Aurignacien, période dont on n’a pas trouvé de vestiges lors des fouilles archéologiques effectuées dans la grotte.Salto de línea