De configuración similar a la Cueva de la Palenciana I, dispone de dos bocas y está situada a su misma altura a medio centenar de metros al Oeste. No es una cueva al uso dado que su enorme boca principal hace que la primera galería y vestíbulo estén muy expuestos al anterior. La boca principal es de unos 9 metros de ancho por 5 metros de alto y orienta al Sur y la otra es mucho más pequeña y da al Suroeste. Posee un gran vestíbulo de unos 20 m de ancho por 7 de longitud que avanza hacia la izquierda y lleva a una pequeña galería mucho más resguardada y pequeña.

Todo apunta a que el yacimiento se extendía por toda la cueva, si bien es cierto que al encontrarse la cavidad totalmente vaciada por la extracción de arcillas solamente se han podido examinar los "testigos" de la pared que se encontraban por debajo de la costra estalagmítica. Aun así se han encontrado gran cantidad de conchas, carbones y fragmentos de hueso que sugieren ocupación paleolítica ocasional, hábitat en etapas mesolíticas a neolíticas y usos hacia el período Calcolítico-Bronce. Pero el verdadero valor arqueológico que perdura en La Palenciana II y que se está degradando a pasos agigantados es su parte parietal.

En la cornisa exterior derecha existe un panel con varias pinturas rojas muy desgastados y de difícil interpretación, entre las que se ha valorado la hipótesis de que existiese un atropomorfo femenino (con muchas reticencias). En la muy destacada hornacina, protegida por una cornisa que prolonga el techo de la entrada con pátina amarillenta, hay un panel con pinturas, situado entre 2,3 y 1,2 m de altura sobre el suelo actual. Ocupa una superficie aproximada de un metro cuadrado. Las pinturas están bastante lavadas. En la parte superior hay algunas líneas muy finas de trazo curvo y complejo realizadas con un lápiz de ocre con la punta aguda, aplicada en seco, directamente sobre la roca. En la parte izquierda y hacia la zona inferior hay dos motivos triangulares casi unidos por el vértice, realizados a tintas planas negras. En el extremo inferior derecho del panel aparece una pintura negra lineal formada por una línea oblicua de la que parten hacia la parte superior varias líneas verticales y paralelas, de longitud decreciente de izquierda a derecha. A unos 2 m a la izquierda del grupo anterior, pero en el techo de la cueva, hay un panel con grabados incisos bastantes finos, cuyo trazado deja un surco más claro que el tono de soporte. Se trata de dos rectángulos rellenos de líneas perpendiculares y paralelas, bastante apretadas, ambos con el mismo número de líneas y junto a ellas otro rectángulo formado por el relleno de líneas perpendiculares y paralelas pero sin el contorno exterior. Muy cerca de ellos hay líneas incisas más gruesas y largas que no forman ningún motivo concreto.