El yacimiento arqueológico que se conserva en el vestíbulo de la cueva se estructura en 8 niveles arqueológicos (fechas Carbono 14 cal BP):
En Altamira, el periodo Magdaleniense es el mejor datado al haberse aplicado el Carbono 14 a algunas pinturas realizadas con carbón vegetal. Quedaban sin datar las figuras más antiguas por estar grabadas o bien pintadas con pigmento rojo. Su datación es más complicada al carecer de materia orgánica en su composición. Su edad puede deducirse por otros criterios, como los estilísticos al compararlas con objetos de edad conocida, y también en relación a las ocupaciones humanas de la cueva.
Actualmente también es posible aplicar un método basado en la serie del Uranio que ya se utilizaba desde hacía años en la datación de costras y formaciones calcáreas, y que permite además la reducción del tamaño de la muestra a solo algunos miligramos. Los resultados para la cueva de Altamira han sido particularmente interesantes para un signo pintado en rojo del centro de la Sala de Polícromos cuya fecha es de 35.600 años antes del presente. Esto lo sitúa en el Auriñaciense, periodo del que no se han encontrado restos en la excavación arqueológica realizada en la cueva.