Dentro del contexto de cuevas de Monte Castillo, la cueva del Castillo dispone de un depósito estratigráfico, de unos 20 metros de potencia situado en la zona exterior a modo de abrigo, y contiene evidencias de ocupación humana. Gracias a su registro arqueológico es posible tener un conocimiento de las condiciones ambientales, de la flora y fauna, de la anatomía humana, del desarrollo tecnológico, de las actividades económicas y del comportamiento social y simbólico de los últimos 150.000 años. Del Homo neandertal y del Homo sapiens, de periodos glaciares e interglaciares, de fauna fría y fauna templada, de la organización de la caza, de la planificación en la explotación y el uso de los recursos naturales, de los procesos técnicos del trabajo del hueso, la piedra y el asta, de los adornos como elementos decorativos y de uso social, de los soportes decorados como formas de expresión artística y de cohesión social, y de un largo etcétera, hablan sus sedimentos y los materiales que en ellos se encuentran.

El interior de la cavidad contiene uno de los conjuntos más singulares e importantes de la Prehistoria europea, un referente para la Historia. Sus más de 275 figuras, todas ellas correspondientes a los albores de la presencia del Homo sapiens en Europa, representan un paseo subterráneo por los orígenes del pensamiento simbólico, la mente abstracta y la expresión artística.

En la actualidad esta cueva posee el arte paleolítico más antiguo del mundo de al menos 40 800 años de antigüedad. Caballos, bisontes, ciervas, uros, ciervos, cabras, un mamut, etc., forman el elenco figurativo animal, un bestiario variado que representa una parte de los animales que cohabitaron con el hombre. Las referencias a la figura humana son numerosas pero abreviadas, expresadas mediante la mano, un motivo especial en esta cueva debido a su elevado número; más de 50. Los signos, formas geométricas o abstracciones, son abundantes. Destacan las llamadas nubes de puntos y las formas rectangulares, muchas de ellas complejas en su composición debido a las segmentaciones y los rellenos internos.

Dibujos y pinturas en rojo, negro o amarillo (cuyo colorante se aplicó a través de diferentes técnicas: lapicero, pincel, dedo, o aerógrafo, entre otros), grabados (en sus diferentes versiones, atendiendo a las características de los surcos) y al menos dos esculturas simples asociadas a la pintura, muestran un diverso elenco técnico.

El desarrollo de la cueva es de unos 400 m y se articula en diferentes espacios a modo de salas, corredores, galerías y rotondas. En general son espacios amplios, accesibles y de fácil tránsito, no siendo muy numerosas las evidencias gráficas que se localizan en espacios angostos y de acceso complejo.

La cavidad se inicia con un amplio vestíbulo (sector I) donde se conserva el importante depósito arqueo-sedimentario que alberga los principales restos materiales de las ocupaciones humanas. Tras él se desarrolla propiamente el espacio subterráneo y de penumbra que se inicia con una gran sala (sector II) desde la que se accede, por el E, a un corredor circular o rotonda (sector III, también llamado "Entrada Gravetiense") de techo bajo, que se sitúa parcialmente por debajo de las escaleras de acceso y que conecta con el sector V. Al fondo del sector II, y frente a las escaleras de entrada, se diferencia otra amplia sala (sector IV) que acaba tras unos 25 metros de desarrollo. Al N del sector II se encuentra un sector (V) muy amplio a modo de gran sala que hay que transitarlo de nuevo de manera circular, debido a que desprendimientos de bloques de la bóveda y grandes formaciones espeleogenéticas articulan el espacio. Este sector V continua, por el N, en el llamado "Panel de las Manos", por un corredor estrecho y bajo (sector VI) que se prolonga hasta el sector XI; en la actualidad el paso es transitable debido a que se desobstruyó en los años 50 del siglo pasado, si bien parte del año está inundado.

Al S del sector V se inicia el sector VII, una sala de dimensiones medias y con muestras de grandes formaciones algunas de ellas desprendidas de la bóveda, que por el E da acceso a una rampa ascendente (sector VIII) que conecta con el sector II. Al W del sector VII arranca, tras pasar en la actualidad por debajo de una plancha estalagmítica, el sector IX, y que tras una estrechez da acceso al sector X, ambas salas (de mayores dimensiones la segunda) con numerosas y variadas muestras de procesos endocársticos. Traspasado el sector X, al E se observa una abertura que conecta con el sector VI. A partir de este momento (sector XI) la cavidad presenta un desarrollo lineal, a modo de corredor, hacia el W.SW, caracterizado por espacios no muy anchos pero sí de altura muy destacable. En la parte final del recorrido se encuentra, de nuevo, una sala de tendencia circular (sector XII) con numerosas formaciones, y que tras dos pequeños pozos se llega al sector final (XIII).

Han aparecido evidencias de ocupaciones correspondientes al Magdaleniense superior con importantes evidencias de industria ósea, como la presencia de arpones de una y dos hileras de dientes, numerosas azagayas de sección circular y un bastón perforado con el grabado de un ciervo. Bajo estas ocupaciones se documentó un rico nivel del Magdaleniense inferior con numerosos objetos de arte mueble, como los omóplatos grabados con figuras mayoritariamente de ciervas, cuyos paralelos más cercanos se encuentran en las paredes de la propia cueva. Se trata de una ocupación muy intensa debido a la elevada densidad de materiales óseos y pétreos. Por debajo se documentan evidencias de frecuentaciones humanas durante el Solutrense y niveles gravetienses, de los que destaca un canto con la figura de un animal, una de las evidencias más antiguas de arte mueble cantábrico.

Sin duda los niveles más importantes, por sus implicaciones científicas, son los correspondientes al Auriñaciense. Han sido datados entre el 40.000 y el 38.500 BP y constituyen una prueba de las primeras ocupaciones de Homo sapiens en Europa, a la vez que indican la existencia de una continuidad entre el Musteriense y las primeras industrias del Paleolítico superior, es decir, entre los últimos neandertales y los primeros Homo sapiens.

La cueva de El Castillo es uno de los conjuntos de arte rupestre paleolítico más significativos de Europa. Su interior, con numerosos grabados, dibujos y pinturas, y excepcionalmente escultura con aprovechamiento de relieves naturales, representa una "monografía del arte rupestre paleolítico", ya que contiene la casi totalidad de temas, técnicas y estilos artísticos ejecutados por los primeros Homo sapiens. Una muestra artística de al menos 20.000/18.000 años de comportamiento artístico y simbólico, así como de nuestra ancestral idiosincrasia y religiosidad.

Se puede decir que la práctica totalidad de las paredes de la cueva de El Castillo han sido antropizadas, objeto de intervención gráfica en una o varias fases del Paleolítico superior (en correspondencia con la amplia secuencia de ocupación humana reconocida en el vestíbulo), siendo por ello que se localizan figuras por todo el recorrido de la cavidad.
∗ Sector I: Se ha descubrimiento una pequeña oquedad (denominada Cueva del Sapo) cuyas paredes conservan superficies de color violáceo a falta de estudio definitivo.
∗ Sector II: Las figuras, repartidas por diferentes espacios, se concentran principalmente sobre dos frisos. El primero de ellos con figuras estriadas, principalmente ciervas (varias decenas) características del Magdaleniense inferior. En este mismo frente se localizan otras figuras, como una figura de un ciervo, un probable caballo construido a base de nubes de puntos, bastoncillos, una mano contorneada en rojo. El conjunto gráfico de este sector representa una dilatada cronología, con figuras rojas cuanto menos de un momento gravetiense hasta las figuras negras, propias de un Magdaleniense medio y/o superior.
∗ Sector III: En el techo de la cavidad, se grabaron diferentes animales, entre los que destacan una cabeza de cabra y un caballo, además de algún zoomorfo (uno de ellos pudiera corresponder a un uro) y varios trazos lineales. Más adelante destaca un panel con ciervos y ciervas cuya composición está basada en la superposición de las figuras, a modo de, probablemente, una representación naturalista y fotográfica de un conjunto de cérvidos. Tradicionalmente se vinculan estas figuras a un momento gravetiense.
∗ Sector IV: Este sector arranca con un frente oblicuo de pared completamente grabado. Entre el numeroso conjunto de líneas destacan animales, muchos de ellos parcialmente trazados o en algunos casos probablemente identificados, como cápridos, bóvidos y caballos. En el interior de la sala destacan un gran ciervo en rojo, un animal (probablemente uro o cabra) un uro negro, un probable mamut grabado y una cabeza de cierva estriada, además de numerosas líneas grabadas. Figuras negras de caballos, cápridos y un posible felino.
∗ Sector V: Las representaciones son numerosas. Destaca el mal llamado "Panel de los Polícromos", con figuras de manos en negativo y casi una veintena de animales. Muy probablemente las manos sean los motivos más antiguos (a fechar entre hace 27.000 y 22.000. En la parte central del panel destacan dos ciervas rojas completas y un signo oval. Sobre el conjunto rojo se dibujaron cuatro bisontes negros datados tres de ellos en un lapso temporal corto (entre 13.500 y 13.000 BP) y el cuarto con fechas más recientes (una de ellas en torno a 12.400 y otras tres cercanas al 10.600 BP). Llegando a la parte de cota más baja de esta sala, se desarrolla el denominado "Panel de las Manos". En la parte final y a la derecha, se localiza el llamado "Rincón de los Tectiformes", un angosto espacio en el que se pintaron una docena de formas rectangulares cuyo interior se resuelve mediante diferentes segmentaciones. También se documentan al menos diez figuras animales, entre las que destacan ciervos y un bisonte grabados de estilo magdaleniense avanzado, un ciervo pintado en negro, un gran figura animal en negro, un grabado de una parcial representación de bisonte y una cabeza de caballo o cierva pintada en rojo.
∗ Sector VI: Al inicio se observa a la derecha un caballo (con orejas muy largas que recuerdan los cuernos de un uro) cuyo contorno se realizó en color rojo y amarillo y en cuyo vientre se pintaron unas formas aflechadas. Cerca de él se documenta un gran signo rojo rectangular, una parcial representación de bisonte pintado y grabado en cuyo interior pudiera existir una cabeza de uro. En la pared opuesta se distinguen signos elipsoidales en rojo y amarillo, y muy cerca, y en un saliente del soporte, un caballo en color amarillo y una cierva o cabra en rojo. Se documentan manos negativas en rojo, nuevas formas ovales, numerosos puntos, líneas y discos. En este sector se dataron (entre 19.140 y 16.980 BP) unas líneas negras que corresponden a una parcial representación de un posible caballo.
∗ Sector VII: Conocida como la "Sala del bisonte en escultura". Sobre una columna estalagmítica destaca un bisonte en posición rampante y en relieve realizado aprovechando la convexidad natural de la columna, que fue convenientemente retocada con pintura y grabado; en su interior se pintaron dos puntos rojos. En la misma columna se dibujó una cabra. También se documentan, un bisonte grabado, un caballo y un uro con la lengua fuera, cuatro ciervas estriadas y superpuestas, dos cabras pintadas en negro, dos ciervas grabadas, una cabeza de cierva en color violáceo oscuro, una parcial representación de una figura animal (posiblemente un uro) con el sexo destacado, una gran signo rectangular rojo con segmentaciones internas, pequeños trazos rojos y puntos o discos, en algunos casos asociados a bordes y salientes rocosos. A la derecha de la columna del bisonte aparece en posición vertical una cabra pintada en negro y otra grabada en trazo simple, un uro y dos ciervas, una cabeza de un caballo, una cierva, un uro y animales indeterminados, todos ellos en formatos métricos grandes y en negro. Dejando de lado los discos, puntos y líneas, de cronología poco definible, se documentan claramente las diferentes fases artísticas del Magdaleniense.
∗ Sector VIII: Se localiza un destacado panel, el llamado "Panel de los campaniformes", cinco formas acampanadas rojas, un motivo lineal negro y un caballo rojo. Ascendiendo, y en ambas paredes, se grabaron varios animales en contorno simple, como ciervos, cápridos, ciervas y un posible rebeco. Además se documentan algunos puntos, pequeños trazos y discos rojos.
∗ Sector IX: Se observaban figuras negras de caballos y cabras, también algún uro. En la sala de subida se localiza un pequeño caballo en tinta plana negro, y ya en el interior un signo rectangular negro con divisiones internas, la parte anterior de una cabra y una máscara de uro. Esta última composición es de las más destacadas de la cueva, ya que sobre un soporte rocoso en forma de cabeza de uro se pintaron en negro el ojo (un pequeño círculo) y un orificio nasal (un pequeño trazo).
∗ Sector X: Se identifican series de puntos violáceos, un caballo negro que combina la pintura negra y el aprovechamiento del relieve y líneas rojas. Se trata, en general, de un sector poco antropizado y con muestras variadas, cronológicamente, de arte.
∗ Sector XI: Corresponde a la denominada "Galería de los Discos", que se inicia con una cabeza de uro y el cuarto trasero de un cérvido, ambos en rojo. Se suceden numerosos discos rojos en hileras o formando series no regulares. En un primer tramo, con más de 100 discos, se documentan, además, una forma de aspa y líneas curvilíneas. Tras esta primera gran composición aparece un pequeño panel con dos formas de rombos (para algunos investigadores peces).
∗ Sector XII: Este espacio alberga exclusivamente discos localizados en columnas estalagmíticas sobre la pared. En disposición seriada vertical, suman en torno a unos 80.
∗ Sector XIII: Se documenta el grabado (mediante tres líneas paralelas de contorno) de una gran cabeza de cérvido, dos caballos grabados sobre la arcilla y macarronis.

Cronológicamente, y como se ha apuntado, están representadas la mayor parte de las fases crono-culturales y artísticas del Paleolítico superior, no pudiéndose asegurar, hoy en día, que existan figuras anteriores a fechas a 27.000 años (en correspondencia con las manos). Probablemente las fases más representadas durante las que se decoró la cavidad corresponden al Gravetienese medio-final, Magdaleniense inferior y Magdaleniense superior.