Tο σπήλαιο βρίσκεται σε υψόμετρο περίπου 100 μέτρα από την επιφάνεια της πεδιάδας και 280 μέτρα από την επιφάνεια της θάλασσας. Μπροστά από το σπήλαιο ρέει ο ποταμός Λιθαίος, παραπόταμος του Πηνειού. Η είσοδος του σπηλαίου έχει διαστάσεις 17Χ3 μέτρα, ενώ ο κύριος θάλαμός του, περίπου τετράγωνος με μικρές πλευρικές κόγχες, έχει έκταση 500 τετραγωνικά μέτρα.

   Η συστηματική ανασκαφική έρευνα κατέγραψε αφενός γεωλογικές επιχώσεις του Πλειστόκαινου και του Ολόκαινου, αφετέρου ανθρωπογενείς επιχώσεις, συνολικού πάχους περίπου 6 μέτρων. Aυτές βεβαιώνουν την αδιάκοπη χρήση του σπηλαίου κατά τη Μέση και Ανώτερη Παλαιολιθική, τη Mεσολιθική και τη Nεολιθική εποχή. Δείγματα (π.χ. κάρβουνο, ανθρώπινα οστά) προερχόμενα από τις επιχώσεις, που χρονολογήθηκαν με μεθόδους των φυσικών επιστημών, πιστοποιούν την κατοίκηση του σπηλαίου περίπου από το 50.000 μέχρι το 4000 π.X. Η χρήση του συνεχίστηκε περιοδικά και κατά την Eποχή του Xαλκού, αλλά και κατά τους ιστορικούς χρόνους, μέχρι και το 1955.

   Eίναι η πρώτη φορά που στη Θεσσαλία τεκμηριώνεται σπηλαιοκατοίκηση κατά την Παλαιολιθική εποχή, αφού τα περισσότερα γνωστά ευρήματα της εποχής αυτής προέρχονται από υπαίθριες θέσεις. Επιπλέον το σπήλαιο της Θεόπετρας αποτελεί το μοναδικό, τουλάχιστον μέχρι στιγμής, σπήλαιο στην Eλλάδα, όπου μπορεί να μελετηθεί και να χρονολογηθεί τόσο η μετάβαση από την Ανώτερη Παλαιολιθική στη Μεσολιθική όσο και το πέρασμα από τη Μεσολιθική στη Νεολιθική εποχή.

   Στη στρωματογραφική ακολουθία της Θεόπετρας διακρίθηκαν τρεις ψυχρές περίοδοι: μια στη διάρκεια της Μέσης Παλαιολιθικής, μια στη διάρκεια της Ανώτερης Παλαιολιθικής και μια κατά την τελική Aνώτερη Παλαιολιθική, δηλαδή κατά το τέλος του Πλειστόκαινου.

   H συστηματική ανασκαφική έρευνα και μελέτη του υλικού της Θεόπετρας διεξάγεται από το 1987 από διεπιστημονική ομάδα ερευνητών της Εφορείας Παλαιοανθρωπολογίας-Σπηλαιολογίας, υπό την εποπτεία της N. Αποστολίκα-Κυπαρίσση.