Gracias a que la entrada de la cueva fue obstruida por un derrumbe al final del Paleolítico Superior, se han podido conservar las evidencias parietales y el yacimiento de la cueva de Altamira. En los últimos años se han realizado estudios de la cronología de algunas pinturas aplicando los sistemas más modernos de datación directa de pigmentos mediante técnicas de 14C-AMS. Las primeras dataciones fueron realizadas en 1991, obteniéndose de tres de las figuras polícromas tres fechas escalonadas entre 14.330 ± 190 y 13.570 ± 190 BP. Estas fechas confirmaban la cronología magdaleniense atribuida tradicionalmente a estas pinturas, pero son incompatibles con la idea de que estas figuras pudieran haber sido hechas en un mismo momento. Por otra parte estas fechas plantean algunos problemas metodológicos, ya que las dataciones obtenidas sobre la fracción húmica no son compatibles. En 1996 se han podido realizar nuevas mediciones de las muestras tomadas 5 años antes, dentro del proyecto "Documentación del arte rupestre en el sector central de la costa cantábrica. Una evaluación de técnicas de trabajo" dirigido por A. Moure Romanillo, C. González Sainz, V. Cabrera Valdés y F. Bernaldo de Quirós. Esta vez las fechas obtenidas han sido: 13.130 ± 120, 14.800 ± 150 y 14.820 ± 130. 

También, dentro de este proyecto, se han realizado dataciones de las pinturas negras de las galerías interiores, obteniéndose una fecha de 14650 ± 140 en un trazo negro infrapuesto a una cierva grabada con bandas de estriado, y de 15.050 ± 180 en una cierva de trazo negro. Por su parte, la muestra recogida de uno de los signos cuadriláteros de la Cola de Caballo ha dado una fecha de 15.440 ± 200 BP.

En este estudio se ha llegado a la conclusión de que una gran parte del conjunto de representaciones fue realizado entre el 14.800 y el 14.400 B.P. en pleno magdaleniense, pero en la caverna se localizan representaciones parietales anteriores y posteriores a esta fecha. Se puede decir que la cueva fue decorada desde el Solutrense hasta el Magdaleniense final, fecha en la que se produjo el derrumbe que selló la entrada de Altamira.