Hang đã được người dân biết đến từ lâu.[4]

Năm 1906 nhà khảo cổ Pháp là Henri Mansuy đã phát hiện đây là các di chỉ của người tiền sử và thực hiện khai quật các hang, lập ra văn hóa Bắc Sơn. Di chỉ này có chứa các hiện vật công cụ đồ đá và đồ gốm thuộc hậu kỳ đồ đá mới (late Neolithic). Chừng 15 năm sau ông lại cùng với Madeleine Colani phát hiện ra trong một di chỉ khảo cổ học 27 di vật như vậy mà có thể theo các dấu hiệu nhất định thì là thuộc cùng văn hóa Bắc Sơn. Các di cốt người cũng được tìm thấy ở đây [8][9]. Tuy nhiên có thể vì những lý do tự cường, các tài liệu khoa học đại chúng không nhắc đến các công trình đó, thậm chí còn coi "3 di tích quan trọng... được phát hiện trong những năm 1960".

Năm 1964, Viện Khảo cổ học Việt Nam cùng với chuyên viên Viện Cổ sinh CHDC Đức (cũ) [Ghi chú 2] đã khai quật di tích, sau đó Viện Khảo cổ tiếp tục khai quật. Kết quả đã thu được một số mẫu hóa thạch xương động vật trong lớp trầm tích, là những chiếc răng rời phần lớn chân răng đã bị hủy hoại do bị gặm nhấm, vài chục chiếc răng hóa thạch của đười ươi, voi, hàng trăm răng khỉ đuôi dài, 9 chiếc răng người vượn, 1 chiếc răng vượn khổng lồ [Ghi chú 3]. Hầu hết răng hóa thạch của người ở đây đều mang đặc tính nguyên thủy [10].

Năm 1993 đoàn cổ sinh học hỗn hợp Mỹ - Úc đã khảo sát và thu lượm một số mẫu trầm tích và hóa thạch. Trên cơ sở nghiên cứu có thể khẳng định di tích Thẩm Khuyên này có niên đại vào khoảng 250 Ka BP (Kilo annum before present, ngàn năm trước), vào trung kỳ thế Pleistocen. Hiện nay các hiện vật hóa thạch được lưu trữ tại Viện Khảo cổ học ở Hà Nội [5].

Dẫu vậy cần lưu ý rằng các tư liệu khảo cổ từ 1964 nói trên có những điểm chưa rõ ràng:

• Có sự mâu thuẫn với dữ liệu của văn hóa Bắc Sơn thuộc sơ kỳ thời đại đồ đá mới, có niên đại là 12 - 10 Ka BP, và người Bắc Sơn là người hiện đại về giải phẫu, kế tiếp của văn hóa Hòa Bình, không phải là người cổ Homo erectus.
• Hầu hết thông tin nêu trên đều dựa trên kiến thức của giữa thế kỷ 20 với nền tảng là thuyết "Nguồn gốc đa vùng của người hiện đại", coi rằng dạng người cổ Homo erectus tiến hóa thành người hiện đại Homo sapiens sapiens. Ngày nay dựa trên các thành tựu mới, loài người hiện đại Homo sapiens được nhiều học giả coi rằng có một nguồn gốc từ châu Phi hồi 200 Ka BP [11], với mô hình "rời khỏi châu Phi" (Out of Africa) từ 70 Ka BP trở lại đây. Người cổ Homo erectus, hồi 250 Ka BP từng sống ở Thẩm Khuyên nếu có, đã bị tuyệt chủng [12] trước khi người hiện đại Homo sapiens chiếm lĩnh vùng đông và nam châu Á.