Σύμφωνα με την αρχαιολόγο Νίνα Κυπαρίση-Αποστολικά, η οποία ξεκίνησε για πρώτη φορά ανασκαφή στο σπήλαιο πριν από 34 χρόνια, η στρωματογραφία του σπηλαίου δείχνει δύο πράγματα: ότι περιέχει σημάδια κατοίκησης από 130.000 χρόνια πριν από τη Νεολιθική εποχή (περίπου 6500 έως 4000 π.Χ.), όταν Η Θεσσαλία είδε περισσότερες κοινότητες να ζουν έξω από σπηλιές.
Το σπήλαιο βρίσκεται στην εύφορη περιοχή της Θεσσαλίας, 3 χιλιόμετρα πριν από την Καλαμπάκα στο δρόμο από τα Τρίκαλα, και σε υψόμετρο 300μ. Βρίσκεται κοντά σε έναν παραπόταμο του ποταμού Πηνειού και βλέπει προς τα Μετέωρα. Η είσοδος έχει ύψος 3μ και πλάτος 17μ και δέχεται πολύ φως. Το σπήλαιο φαίνεται να έχει εγκαταλειφθεί στο τέλος της Εποχής των Λίθων, είτε μετά από διάβρωση του νερού από το νερό που άρχισε να διαλύεται στο εσωτερικό ή επειδή περισσότερες κοινότητες άρχισαν να χτίζονται σε ανοιχτούς χώρους. (Το κλίμα κατά τις εποχές της ανθρώπινης κατοχής περιελάμβανε τρεις εποχές πάγου και δύο ζεστές περιόδους, η πρώτη χρονολογείται πριν από περίπου 60.000 χρόνια.)
Οι νεολιθικοί κάτοικοι του σπηλαίου έτρωγαν, μεταξύ άλλων, σιτάρι και καλλιεργούσαν κριθάρι, ελιές, φακές και άγριο αχλάδι. Έφαγαν λίγο κρέας, κυρίως από τα εξημερωμένα αιγοπρόβατα (που αντιπροσωπεύουν το 60% των οστών που βρέθηκαν), και επίσης κράτησαν βοοειδή, χοίρους και τουλάχιστον ένα σκυλί. Περίπου το 11% των οστών που βρέθηκαν ανήκουν σε ελάφια, αγριόχοιρους, αρκούδες, λαγούς, αγριόγατες και ασβούς, τα οποία κυνηγούσαν . Τα οστά από μια αρκούδα, για παράδειγμα, εξακολουθούν να φέρουν σημάδια μαχαιριού.
Η κοινότητα δημιούργησε επίσης τα δικά της κοσμήματα, τρυπώντας τρύπες σε δόντια που μοιάζουν με ελάφια και κοχύλια από τον κοντινό ποταμό. Ερείπια κεριού μελισσών βρέθηκαν επίσης στην κοινότητα.
Οι ανασκαφείς βρήκαν επίσης πέντε τάφους στο σπήλαιο της Θεόπετρας. Δύο από αυτούς ανήκουν στην μετα των πάγων εποχή της Άνω Παλαιολιθικής περιόδου (μία χρονολογείται στο 14,990-14,060 π.Χ.) και τρεις στην Μεσολιθική εποχή (όλες χρονολογούνται μεταξύ 7000 και 7500 π.Χ.), η μόνη τοποθεσία στη Θεσσαλία που περιέχει Μεσολιθικά αποδεικτικά στοιχεία. Όλα περιείχαν σκελετούς του Homo sapiens sapiens.
Τα βαθύτερα επίπεδα της Μέσης Μεσολιθικής περιείχαν αποτυπώματα ποδιών - ένα εξαιρετικά σπάνιο εύρημα παγκοσμίως - αλλά επειδή τα πόδια φαίνεται να έχουν καλυφθεί, είναι αδύνατο να διακριθούν τα φυσικά χαρακτηριστικά. Τα εργαλεία της Εποχής του Λίθου δείχνουν την παρουσία κατοίκων του Νεάντερταλ, σύμφωνα με τις αναλύσεις.
Μία από τις πιο εντυπωσιακές ανακατασκευές προσώπου αυτών των σκελετών είναι αυτή που ονομάζεται "Αυγή", του οποίου τα ερείπια βρέθηκαν στο σπήλαιο το 1993. Η ανακατασκευή του πώς φαίνεται το πρόσωπό της παρουσιάστηκε στο Μουσείο της Ακρόπολης τον Ιανουάριο του 2018. Ήταν μεταξύ 18 και 25 ετών, είχε ύψος 1,57μ. και οι σκελετοί της εμφάνισαν ήπια σημάδια φλεγμονής, πιθανώς από αναιμία ή σκορβούτο και εξέχοντα προγναθικό χαρακτήρα.
Τα επίπεδα της νεολιθικής εποχής περιείχαν τα πρώτα πήλινα αγγεία, αγαλματίδια διαφόρων τύπων - σηματοδοτώντας ανταλλαγές με μακρύτερες κοινότητες - και μια παραγωγική πέτρινων εργαλείων, είτε από πυριτόλιθο (chert) είτε από πέτρες που συλλέχθηκαν από τον κοντινό ποταμό. Στην ίδια εποχή βρέθηκαν επίσης μερικους προς άλεση λίθων για ξηρούς καρπούς, ίχνη χρωστικών ουσιών, πηλός και οστικές σπείρες και βάρη για ύφανση, βελόνες οστών και πολλά θαλάσσια όστρακα, που αποκτήθηκαν μέσω ανταλλαγών με παράκτιες κοινότητες.
Οι πιο πρόσφατες αναλύσεις των σκελετών παρουσιάστηκαν από την Κυπαρίσσι-Αποστολικά, ομότιμο διευθύντρια της Διεύθυνσης Παλαιοανθρωπολογίας και Σπηλαιολογίας του Υπουργείου Πολιτισμού, σε ομιλία προς το 14ο Εθνικό Συνέδριο του Ελληνικού Κολλεγίου Παιδιατρικής στο Τρίκαλα.
