Пещера была открыта в мае 1959 года Филиппом Хадзаридисом, жителем села Петралона. Пещера стала всемирно известной, когда 16 сентября 1960 года другой житель Петралоны, Христос Саррияннидис нашел в пещере череп архантропа. Археологические и антропологические исследования начались вскоре под руководством профессора антропологии Арис Пулианоса, который установил, что обнаруженному архантропу около 700 тысяч лет, соответственно он является древнейшем человеком Европы. Скелет доисторического человека был найден среди останков примитивных орудий труда, а также следов очага. Петралонская пещера считается также древнейшим памятником использования человеком огня. Череп петралонского архантропа ныне хранится в университете Аристотеля в Салониках.

Эти данные основаны на детальном изучении стратиграфии пещеры, составленной 34 разновозрастными слоями, ядерном, а также на фациальном и палентологическом анализе. Среди окаменелостей исследователями были обнаружены останки львов, гиен, медведей, пантер, слонов, носорогов, плейтоценового мегацерина (семейство оленевых), бизонов, а также 25 видов птиц, 16 видов грызунов и 17 видов рукокрылых. Возраст некоторых останков около 5 млн лет.