Năm 2012, các nhà địa chất đã phát hiện được 64 hang và mái đá trong vùng lõi Tràng An. Qua điều tra, thám sát cho thấy, các di tích khảo cổ hang động tiền sử là nét nổi bật nhất trong vùng lõi của khu di sản này. Cộng đồng dân cư tiền sử Tràng An định cư trong các hang động hoặc mái đá, phân bố tập trung trong thung lũng đầm lầy núi đá vôi, chịu sự tác động to lớn của biến đổi cảnh quan môi trường do các đợt biển tiến, biển thoái. Cư dân tiền sử nơi đây là những người tiếp cận và khai thác biển đầu tiên ở Việt Nam, sáng tạo ra tổ hợp công cụ lao động bằng đá vôi, duy trì lâu dài kỹ nghệ ghè đẽo, sớm nảy sinh kỹ thuật cưa, mài; chế tạo và sử dụng phổ biến đồ gốm. Các chứng tích văn hoá khảo cổ tiền sử ở Tràng An phong phú và đa dạng, là nguồn sử liệu vật thật minh chứng cho sự biến đổi đặc biệt về kinh tế, văn hoá, xã hội của cộng đồng dân cư nơi đây dưới sự tác động thay đổi môi trường núi đá vôi, biến động của khí hậu cổ, của mực nước biển vùng nhiệt đới gió mùa. Đây là các chứng tích điển hình nhất cho cho loại hình cư trú liên tục trong hang động trước, trong và sau biển tiến. Đặc trưng của người Việt cổ ở Tràng An là truyền thống khai thác và sử dụng nhuyễn thể biển và trên cạn, truyền thống săn bắt đa tạp, theo phổ rộng, săn bắt nhiều loài, mỗi loài vật một ít và không dẫn đến huỷ diệt bày đàn động vật đó. Truyền thống chế tác và sử dụng công cụ đá vôi, sự nảy sinh kỹ thuật mài, cưa và kỹ thuật làm đồ gốm và trồng trọt trong thung lũng đầy lầy là nét riêng độc đáo, làm nên giá trị nổi bật toàn cầu của quần thể các di tích khảo cổ ở nơi đây. Có thể nghĩ rằng, hệ thống các di tích khảo cổ tiền sử Tràng An còn chứa đựng sự độc bản hoặc chí ít là chứng cứ đặc biệt về truyền thống văn hoá hoặc nền văn minh hiện còn tồn tại hoặc đã mất của nhân loại.[16]

Tràng An gắn liền với những giá trị lịch sử, văn hóa của vùng đất cố đô Hoa Lư.[17] Năm 968, Đinh Bộ Lĩnh thống nhất giang sơn, lập ra nhà nước Đại Cồ Việt, đóng đô ở Hoa Lư. Kinh đô Hoa Lư gồm 3 vòng thành liền nhau: thành Đông, thành Tây và thành Nam. Thành Đông nằm ở phía đông, giáp với vùng đồng bằng, là nơi bố trí cung điện nên được gọi là thành ngoại; thành Tây nằm ở bên trong giáp với vùng núi non, là nơi ở của quan lại và khu vực hậu cần nên được gọi là thành nội. Thành Nam rộng hơn, là vùng núi cao hiểm trở để phòng thủ, che chở kinh thành hiện được gọi là Tràng An. Với đặc thù địa hình như vậy, kinh đô Hoa Lư được ví như kinh đô đá với đặc điểm: núi là thành, sông là đường, hang động là cung điện.[18]

Tương truyền, Vua Đinh Tiên Hoàng muốn khẳng định kinh đô Hoa Lư cũng bề thế như kinh đô Tràng An của phương Bắc nên sai Nguyễn Bặc thể hiện câu đối "Cồ Việt quốc đương Tống Khai Bảo - Hoa Lư đô thị Hán Tràng An"[19]. Năm 1010, Vua Lý Thái Tổ đổi Hoa Lư thành phủ Tràng An, Đại La thành Thăng Long. Danh xưng Tràng An chính thức gắn với cố đô Hoa Lư – Ninh Bình.[20] Hiện nay, Tràng An thuộc vùng bảo vệ đặc biệt của cố đô Hoa Lư theo quyết định số 82 /2003/QĐ-TTg của thủ tướng chính phủ Việt Nam. Khu vực này đã được UNESCO công nhận là vùng lõi của di sản thiên nhiên văn hóa thế giới Tràng An.[21]

Việc phát lộ ra hệ thống hang động Tràng An trong lòng đất đã dần hé mở ra quyết định lập đô của vua Đinh Tiên Hoàng tại Hoa Lư vào thời kỳ đầu của một Nhà nước phong kiến tập quyền. Đó cũng là một căn cứ quan trọng để nhà vua khẳng định độc lập chủ quyền của dân tộc dựa trên cơ sở sức mạnh của dân tộc. Điều này thể hiện bởi sự tận dụng triệt để những ưu thế của thiên nhiên, biến các dãy núi đá vôi làm thành quách để giảm sức người và của. Địa hình Tràng An là cái gạch nối giữa Hoa Lư và Thăng Long, làm cho nhân dân Việt Nam có sự hồi tưởng lại những diễn biến lịch sử đã diễn ra ở kinh thành Hoa Lư và sự nối tiếp ở kinh thành Thăng Long cho đến Hà Nội sau đó.

Khi nạo vét ở các hang động, các nhà khoa học phát hiện được nhiều di tích từ thế kỷ thứ X. Có khu vực với rất nhiều phế tích quan trọng khẳng định đó cũng là nơi sinh hoạt của các phân quyền ngày xưa ở thế kỷ thứ XIV, Nhà Trần như nồi gốm, các bát đĩa cổ. Các phế tích này rất giống với các phế tích tìm thấy ở Hoàng thành Thăng Long. Tràng An đồng thời cũng là kinh đô kháng chiến chống Nguyên Mông của triều đại Nhà Trần.[22]