La casualidad fue el germen del hallazgo de una pequeña abertura que daba entrada a la cueva, excavada en roca natural, en 1868. De hecho, un perro fue el que dio la pista de lo que había entre unas grietas, aunque pasaron 11 años hasta que las pinturas fueron descubiertas por una niña de 8 años mientras acompañaba a su padre en busca de restos de huesos y sílex en su interior. Pero la historia se volvió tan compleja como inverosímil, al negar el mundo científico que el primer tesoro pictórico prehistórico conocido hasta el momento se correspondiera con arte paleolítico.

Sin embargo, en 1902 llegó ese reconocimiento universal sobre la autenticidad de las pinturas y las disquisiciones de la ciencia empezaron a centrarse en la precisión cronológica de la ocupación de la cueva, las técnicas empleadas y su finalidad.
El 24 de septiembre de 1879, Sautuola regresó por segunda vez a la cueva de Altamira, pero en esta ocasión acompañado por su hija María Sanz de Sautuola y Escalante, de ocho años. Su intención era excavar la entrada de la cueva para hallar algunos restos de huesos y sílex, tal y como había visto en la exposición universal de París un año antes.
Pero el verdadero descubrimiento lo realizó la niña. Se adentró en la cueva hasta llegar a una sala lateral y allí descubrió unas pinturas en el techo. Sautuola quedó sorprendido al contemplar el grandioso conjunto de pinturas de aquellos extraños animales que cubrían casi la totalidad de la bóveda y al año siguiente publicó un pequeño tratado de apariencia científica titulado Breves apuntes sobre algunos objetos prehistóricos de la provincia de Santander, en el que defendía el origen prehistórico de las pinturas e incluía una reproducción de ellas.

Marcelino Sautuola presentó sus conclusiones al catedrático de Paleontología de la Universidad de Madrid, Juan Vilanova, que hizo suya la misma tesis, aunque fue rechazada por los científicos más especializados y reconocidos en estudios prehistóricos y paleontológicos en Europa: los franceses Cartailhac, Mortillet y Harlé.

El rechazo a que las pinturas fueran consideradas prehistóricas fue generalizado a finales del siglo XIX. Se concluyó de manera reiterada que no eran tan antiguas e incluso hubo quienes afirmaron que habían sido hechas por algún pintor moderno pero mediocre, dando a entender que Sautuola había alojado en su casa a un pintor, dejando la sombra de la duda sobre el hallazgo.
La cuestión de fondo hay que buscarla en el contexto histórico de continua controversia y enfrentamiento entre ciencia y religión, entre evolución y creación, que existía en la década de los años ochenta y noventa del siglo XIX. Para Sautuola y Vilanova, los humanos primitivos habían sido creados por Dios con la capacidad estética y la habilidad necesaria para componer obras como las que se hallaban en Altamira. Rechazaban el darwinismo, el paso de la humanidad por diferentes estadios evolutivos que permitiesen alcanzar un determinado umbral de inteligencia para poder realizar las pinturas rupestres de la cueva cántabra.

Las pinturas de Altamira fueron el primer conjunto pictórico prehistórico de gran extensión conocido en el mundo, lo que también contribuyó a generar dudas y desconfianza sobre su antigüedad. Con todo en su contra, ni la ardiente defensa de Vilanova en el Congreso Internacional de Antropología y Arqueología, celebrado en Lisboa en 1880, ni el empeño de Sautuola por demostrar su autenticidad y valor evitó la descalificación de Altamira y los informes desfavorables a nivel internacional y también en España.

La muerte de Sautuola en 1888 y la de Vilanova en 1893 parecían condenar definitivamente las pinturas de Altamira a ser un fraude moderno, pero su valor fue poco a poco avalado por los frecuentes hallazgos de otras piezas de arte similares en numerosas cuevas europeas.