Situada en una cantera superior al yacimiento de Gran Dolina. En 2016, durante las labores de limpieza se obtuvo la mayor parte de un parietal humano perteneciente a un neandertal.

Cueva Fantasma es el yacimiento con mayor superficie de excavación de la sierra de Atapuerca. Era conocido desde hace décadas, al haber aflorado a mediados del siglo XX en los trabajos de una de las canteras de piedra caliza, pero los escombros generados por la misma impedían reconocer su potencialidad. Entre 2003 y 2005 se efectuaron los primeros trabajos de prospección geofísica que ya indicaban que el conducto tenía potencial por debajo de la escombrera. En 2016 se inició la limpieza de la escombrera que dejaba al descubierto un enorme conducto repleto de restos de fauna, industria lítica y un fragmento de cráneo humano, que podría corresponder a un neandertal.

Se ha identificado un importante número de restos fósiles de herbívoros, principalmente restos de équidos, bóvidos y cérvidos, así como abundantes coprolitos de hienas y otros pequeños carnívoros, pero también evidencias de presencia humana, con industrias líticas y bifaces y raederas que pueden relacionarse con fases del Achelense y del Paleolítico medio. Se trata de un yacimiento excepcional por sus dimensiones y su potencial, que va a aportar importante información sobre la complejidad de las sociedades de cazadores y recolectores, ya que conserva secuencia del Pleistoceno superior que no está presente en los yacimientos de la Trinchera del Ferrocarril.