西班牙北部發現距今至少12000年前的舊石器時代晚期洞穴遺迹——阿爾塔米拉洞，這是是第一個被發現有史前人類壁畫的洞穴遺迹，岩壁上留下了許多栩栩如生的已滅絕生物的精美壁畫。
阿爾塔米拉洞窟發現者Marcelino Sanz de Sautuola 與 María de Sautuola
阿爾塔米拉洞被發現于西班牙北部坎塔布裡亞自治區首府桑坦德市西方30公裡處的桑蒂利亞納戴爾馬爾小鎮。整個洞穴長達300公尺、高度2到6公尺，源自雨水或地下水對可溶性岩石作用下産生的特殊地貌，導緻内部蜿蜒扭曲，在洞穴的壁畫上出現了已滅絕的生物。
洞穴内的野牛壁畫
1879年，業餘考古學家馬塞利諾 桑斯 德 桑圖奧拉與他的8歲女兒發現這個洞穴中的壁畫，後來他與馬德裡大學考古學家胡安 比拉諾瓦 彼拉一同挖掘，在1880年對外公布這個發現，并表示壁畫屬于舊石器時代。
阿爾塔米拉洞窟
這個重大的發現被加布裡埃爾 德 莫爾蒂耶等幾名法國學者強烈否定，認為壁畫的品質與儲存狀态好得令人難以置信，無法相信史前人類有辦法創作如此精良的作畫，指控壁畫是由桑圖奧拉僞造的。
阿爾塔米拉洞窟壁畫
随着不斷發現其他史前壁畫與研究，證明阿爾塔米拉壁畫是真正的史前遺迹，改變對史前人類的既定印象，桑圖奧拉的發現終于在1902年得到學術界的認可，但他早在1888年時就已經離世。
1902年到1904年，阿爾塔米拉洞後續的挖掘工作，由西班牙史前曆史學家埃米利奧 阿爾卡爾德 德爾 裡奧進行；1924年到1925年由德國史前曆史學家兼人類學家雨果 奧伯邁爾進行；最後在1981年由西班牙考古學家華金 岡薩雷斯 埃切加賴進行，阿爾塔米拉洞的洞穴壁畫于1985年列入聯合國教科文組織的世界遺産中。
阿爾塔米拉洞窟出土的顔料研磨闆
阿爾塔米拉洞穴中的壁畫來自公元前18500年的“梭魯特文化”與公元前16500年到公元前14000年的“馬格德林文化”等兩種舊石器時代文化。2008年時，研究人員以鈾钍定年法發現洞穴壁畫的創作時間長達20000年的光陰，2012發現其中甚至有長達35600的創作。
阿爾塔米拉洞窟壁畫《受傷的野牛》
洞穴内部應該是野生動物的栖息地，雖然整個洞穴都能看見壁畫，但人類僅居住在洞穴入口的區域。壁畫是以赤鐵礦、木炭等材料繪畫，透過顔料的稀釋表現顔色深淺的變化與明暗的對比，同時利用岩壁上的天然輪廓表現立體的視覺效果，當中能看見馬、鹿、野豬等生物，以及已滅絕的西伯利亞野牛。
西班牙北部也有許多擁有舊石器時代藝術的洞穴遺迹，但并沒有與阿爾塔米拉洞同樣豐富的遺迹保留下來，可能是在13000年前，因為落石坍塌封閉了入口，使阿爾塔米拉洞穴幸運地儲存至今。
60年代到70年代，阿爾塔米拉洞的壁畫因大量遊客伴随的二氧化碳出現損壞，公元1977年完全對外關閉。到了1982年以限制少量遊客進入的方式開放，從預約到進入要等待3年的時間。2002年洞穴曾經一度又關閉，在2014年1月重新有限度地開放。
阿爾塔米拉洞窟出土的古代色料
2001年時，西班牙著名藝術家曼努埃爾 弗朗克羅與同伴在洞穴附近打造出一個複制品與博物館，重制出洞穴與當中的藝術。另外馬德裡的西班牙國立考古博物館、德國慕尼黑的德意志博物館等機構也擁有阿爾塔米拉洞穴的複制品。
阿爾塔米拉洞穴在2007年時成為西班牙12大寶藏之一。2016年由英國導演休 哈德森發行一部講述發現阿爾塔米拉洞穴的電影《阿爾塔米拉》。洞穴中的野牛壁畫成為一個标志性的圖案，坎塔布裡亞自治區政府以其設計出促進觀光的形象，也被漫畫、詩歌封面、品牌标志所使用。