La cueva de Altamira fue descubierta en 1868 por un tejero asturiano llamado Modesto Cubillas (Modesto Cobielles Pérez) quien yendo de caza encontró la entrada al intentar liberar a su perro, que estaba atrapado entre las grietas de unas rocas por perseguir a una presa. En aquel momento, la noticia del descubrimiento de una cueva no tuvo la menor transcendencia entre el vecindario de la zona, ya que es un terreno kárstico, caracterizado por poseer ya miles de grutas, por lo que el descubrimiento de una más no supuso ninguna novedad.
Cubillas se lo comunicó a Marcelino Sanz de Sautuola, rico propietario local y «mero aficionado» a la paleontología, de cuya finca era aparcero; no obstante, este no la visitó hasta al menos 1875, y muy probablemente en 1876. La recorrió en su totalidad y reconoció algunos signos abstractos, como rayas negras repetidas, a las que no dio ninguna importancia por no considerarlas obra humana. Tres o cuatro años después, en el verano de 1879, volvió Sautuola por segunda vez a Altamira, en esta ocasión acompañado por su hija María Sanz de Sautuola y Escalante, de cinco años de edad. Tenía interés en excavar la entrada de la cueva con el objetivo de encontrar algunos restos de huesos y sílex, como los objetos que había visto en la Exposición Universal de París.
María exclamó al ver las pinturas: ¡Mira, papá, bueyes!
El descubrimiento de las pinturas rupestres lo realizó, en realidad, la niña. Mientras su padre permanecía en la boca de la gruta, ella se adentró hasta llegar a una sala lateral. Allí vio unas pinturas en el techo y corrió a decírselo a su padre. Sautuola quedó sorprendido al contemplar el grandioso conjunto de pinturas de aquellos extraños animales que cubrían la casi totalidad de la bóveda.
Al año siguiente, 1880, Sautuola publicó un breve opúsculo titulado Breves apuntes sobre algunos objetos prehistóricos de la provincia de Santander. En él sostenía el origen prehistórico de las pinturas e incluía una reproducción gráfica. Expuso su tesis al catedrático de Geología de la Universidad de Madrid, Juan Vilanova, que la adoptó como propia. Pese a todo, la opinión de Sautuola no fue aceptada por los franceses Cartailhac, Mortillet y Harlé, los científicos más expertos en estudios prehistóricos y paleontológicos en Europa.
Las pinturas de Altamira fueron el primer conjunto pictórico prehistórico de gran extensión conocido en el momento, pero tal descubrimiento determinó que el estudio de la cueva y su reconocimiento levantara toda una polémica respecto a los planteamientos aceptados en la ciencia prehistórica del momento. La novedad del descubrimiento era tan sorprendente que provocó la lógica desconfianza de los estudiosos. Se llegó a sugerir que el propio Sautuola debió pintarlas entre las dos visitas que realizó a la caverna, negando así su origen paleolítico, o incluso atribuyendo la obra a un pintor francés que había sido alojado en casa del guía de la cueva, aunque la mayor parte de los expertos franceses consideraban a Sautuola como uno de los engañados. El realismo de sus escenas provocó, al principio, un debate en torno a su autenticidad. El evolucionismo, aplicado a la cultura humana, conducía a deducir que tribus antiguas y salvajes no debían disponer de arte y que desde entonces hasta la actualidad habría habido un continuo de progreso. Por lógica si el arte es símbolo de civilización debería haber aparecido en las últimas etapas humanas y no en pueblos salvajes de la Edad de Piedra. Su reconocimiento como una obra artística realizada por hombres del Paleolítico supuso un largo proceso en el que, también, se fueron definiendo los estudios sobre la prehistoria.
Marcelino S. de Sautuola publicó en 1880 este escrito, donde dio a conocer las pinturas encontradas el año anterior, incluyendo un dibujo del techo de la Gran sala de polícromos.