Το σπήλαιο της Θεόπετρας διανοίγεται στη βορειοανατολική πλευρά του περίοπτου ασβεστολιθικού εξάρματος που βρίσκεται στην ομώνυμη τοπική κοινότητα, περίπου 4 χλμ. από την Καλαμπάκα. Έχει αψιδωτή είσοδο διαστάσεων 17x3μ., σχήμα περίπου τετράπλευρο με μικρές κόγχες (καρστικούς αγωγούς) περιμετρικά, ενώ καταλαμβάνει συνολική έκταση περίπου 500μ2. Στο εσωτερικό του δεν παρατηρείται λιθωματικός διάκοσμος. Ο σχηματισμός του ασβεστολιθικού βράχου της Θεόπετρας τοποθετείται στην ανώτερη Κρητιδική περίοδο (137.000.000 - 65.000.000 χρόνια από σήμερα). Η δημιουργία του σπηλαίου είναι κατά συνέπεια μεταγενέστερη της παραπάνω ηλικίας.

Η ανασκαφική διερεύνηση του σπηλαίου, η οποία διήρκεσε από το 1987 έως το 2007, έφερε στο φως επάλληλα στρώματα και σημαντικά ευρήματα που καταδεικνύουν τη συστηματική χρήση του χώρου από τον άνθρωπο, από τη Μέση Παλαιολιθική (130.000 χρόνια πριν) έως και τη Νεολιθική περίοδο (4000 π.Χ.). Αυτή η χρονολογική συνέχεια είναι εξαιρετικά σημαντική, καθώς πρόκειται για μία από τις ελάχιστες αρχαιολογικές ανασκαφές στον ελλαδικό χώρο που έχουν διασώσει μαρτυρίες για τη μετάβαση από τον Παλαιολιθικό στο Νεολιθικό τρόπο ζωής.

Μεταξύ των ευρημάτων συγκαταλέγονται ανθρώπινες ταφές της Παλαιολιθικής και της Μεσολιθικής περιόδου, λίθινα εργαλεία προσαρμοσμένα τεχνολογικά στις ανάγκες της κάθε περιόδου, νεολιθικά αγγεία και διάφορα νεολιθικά κοσμήματα από οστά, πέτρα και χρυσό, καθώς και τα περίφημα αποτυπώματα ανθρώπινων πελμάτων της Μέσης Παλαιολιθικής περιόδου (130.000 χρόνια πριν από σήμερα), τα οποία αποτελούν σπανιότατο εύρημα όχι μόνο για τον ελλαδικό, αλλά και για τον ευρωπαϊκό χώρο,

Μετά την ολοκλήρωση της ανασκαφικής διερεύνησης υλοποιήθηκαν τα έργα ανάπλασης και ανάδειξης του χώρου με στόχο την παρουσίαση στο ευρύ κοινό των πλούσιων αρχαιολογικών στοιχείων σχετικά με την ελληνική προϊστορία (Παλαιολιθική, Μεσολιθική, Νεολιθική εποχή) που αναδείχθηκαν μέσα από την μακρόχρονη έρευνα στο σπήλαιο. Το έργο εντάχθηκε στο ΠΕΠ Θεσσαλίας του Γ΄ Κοινοτικού Πλαισίου Στήριξης και αφορούσε μεταξύ άλλων στην κατασκευή συστήματος κλιμάκων και διαδρόμων πρόσβασης στο σπήλαιο, καθώς και διαδρόμου επίσκεψης στο εσωτερικό του σπηλαίου σε υψηλότερη στάθμη από τις ανεσκαμμένες επιχώσεις. Το σπήλαιο και όλες οι εγκαταστάσεις εξυπηρέτησης του κοινού είναι πλήρως προσβάσιμες από ΑμΕΑ. Ο χρόνος υλοποίησης του έργου ήταν από τις 18-07-2005 έως τις 22-12-2008.

Το σπήλαιο είναι επί του παρόντος κλειστό λόγω κατολισθήσεων που παρατηρήθηκαν στην περιοχή της εισόδου του. Με στόχο την αποκατάσταση της λειτουργίας του σπηλαίου και την εκ νέου απόδοσή του στο κοινό με όρους απόλυτης ασφάλειας τόσο για το ίδιο το μνημείο, όσο και για τους επισκέπτες του, το Υπουργείο Πολιτισμού και Αθλητισμού (Εφορεία Παλαιοανθρωπολογίας - Σπηλαιολογίας) σε συνεργασία με την Περιφέρεια Θεσσαλίας υλοποιεί από 22/5/2020 την ενταγμένη στο «Περιφερειακό Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Θεσσαλίας 2014-2020» Πράξη με τίτλο «Βελτίωση επισκεψιμότητας Σπηλαίου Θεόπετρας».