Le musée d’Altamira se situe sur une colline qui domine un superbe paysage. Cette enclave privilégiée nous permet d’apercevoir, au nord, vers la ligne côtière, des prairies vertes et doucement vallonnées, et la vallée qui accueille la bourgade de Santillana del Mar. Au sud-ouest, on aperçoit les Pics d’Europe et les premiers contreforts de la cordillère Cantabrique.
L’enceinte du musée renferme un vaste espace interdit à la circulation des véhicules. Cet espace protège la grotte d’Altamira tout en permettant au visiteur de profiter de l’environnement naturel et des espèces naturelles qui peuplaient déjà le secteur du temps du Paléolithique supérieur. Le paysage qui entoure la grotte est le produit d’une restitution paysagère effectuée sur la base de l’analyse du pollen trouvé dans le site. On y observe des bosquets de boulots et de noisetiers, des taches dispersées de rouvres et de frênes, ainsi qu’une multitude de plantes herbacées telles que des bruyères et des graminées.
La vaste enceinte du musée abrite également le bâtiment de son siège principal, une bâtisse dédiée aux expositions temporaires et la maison de montagne construite en 1924, où furent exposés les premiers objets trouvés lors des fouilles d'Altamira. Entre ces deux derniers bâtiments se trouve l'entrée de la grotte d'Altamira et un monument du sculpteur Julio López Hernández dédié à son découvreur, Marcelino Sanz de Sautuola. L'enceinte comprend également une autre cavité, la grotte des stalactites, très proche de la grotte d'Altamira. Elle ne possède ni art rupestre ni site archéologique, mais a servi de chambre funéraire pendant l'âge du bronze. C'est en raison de son existence que l'on parle généralement des grottes d'Altamira – au pluriel –, quand bien même il n' y a qu'une seule Altamira.