El Museo de Altamira se encuentra sobre una colina que domina un magnífico paisaje. Este privilegiado enclave nos permite divisar al norte, hacia la línea de costa, verdes prados con suaves colinas y el valle que acoge la villa de Santillana del Mar. Hacia el suroeste se pueden contemplar los Picos de Europa y las estribaciones de la Cordillera Cantábrica.
El recinto el museo abarca un amplio espacio natural cerrado al tráfico, que por un lado brinda protección a la cueva de Altamira, y por otro, permite a los visitantes disfrutar del entorno natural junto a especies vegetales que poblaron la zona durante el Paleolítico superior. El paisaje que rodea la cueva es producto de una restitución paisajística hecha en base a los análisis de pólenes del yacimiento. Se pueden observar bosquecillos de abedules y avellanos, manchas dispersas de robles o fresnos, y también multitud de herbáceas como brezos o gramíneas.
El amplio recinto del museo acoge también el edificio de la sede principal, un pabellón dedicado a exposiciones temporales y la casa montañesa construida en el año 1924 y en la que se expusieron los primeros objetos hallados en la excavación de Altamira. Entre estos dos últimos edificios se ubica la entrada a la cueva de Altamira y un monumento del escultor Julio López Hernández dedicado a su descubridor, Marcelino Sanz de Sautuola. El recinto comprende también otra cavidad, la cueva de estalactitas, muy próxima a la cueva de Altamira. No tiene arte rupestre ni yacimiento arqueológico, pero fue utilizada como cámara sepulcral en la Edad del Bronce. A su existencia se debe que habitualmente se hable de las cuevas de Altamira en plural, cuando Altamira sólo hay una.