De nombreux vestiges des sociétés paléolithiques, depuis l'Aurignacien (-35 000) jusqu'au Magdalénien (-10 000), ont été retrouvés dans des grottes. Cela ne veut pas dire que les hommes préhistoriques passaient tout leur temps tapis dans les cavernes mais que ces abris naturels ont préservé les fossiles pendant des milliers d’années. Cela dit, toutes les grottes ne sont pas aussi pratiques. Certaines ont subi des inondations ou des éboulements. Par exemple, le plafond de l'entrée de Chauvet s'est écroulé il y a 20 000 ans, celui du Pech Merle il y a 10 000 ans et l'entrée de la grotte Cosquer est aujourd'hui à 37 mètres sous le niveau de l'eau.
A partir du Néolithique (environ - 8 000 ans), l’art des cavernes (art pariétal ou Cave Art) s’étend à l’extérieur de des abris, sur des falaises ou des rochers (art rupestre ou Rock Art). Le préhistorien Jean Clottes distingue trois types de sites : les grottes profondes qui nécessitent une lumière artificielle, les refuges (abris-sous-roche) qui sont plus ou moins éclairés naturellement, et les sites en plein air.
Les artistes doivent s'équiper de torches ou de lampes fabriquées à partir de morceaux de pierres percées en leurs centres. Le trou est ensuite rempli de graisse d’animal qu'on enflamme grâce à des braises. Les mèches sont constituées de fibres végétales comme le rameau de genévrier. Dans le grotte de Pair-non-Pair, les gravures sont situées près de l'entrée et le puit de lumière a permis aux hommes préhistoriques de graver les parois à la lumière du jour.
Pour atteindre le haut des parois et le plafond de la grotte, on peut utiliser de longs bâtons auxquels on attache les pinceaux ou construire des échafaudages. A Lascaux, par exemple, des cavités dans la paroi de la galerie indiquent l'emplacement d'un échafaudage.
Les thèmes animaliers sont largement favorisés et notamment les dessins d'animaux vivant en troupeaux comme les chevaux ou les prédateurs comme les ours. A Chauvet dans l'Ardèche, on trouve des peintures exclusives comme le rhinocéros, le lion, la panthère et le hibou. A Cosquer, près de Marseille, il y a des figures moins ordinaires comme des pingouins, des méduses et des phoques. Enfin, à Pair-non-Pair en Gironde, on trouve une gravure de mégalocéros, un animal très rarement représenté.
Les dessins de végétaux et les formes anthropomorphes sont délaissés. Les humains sont à peine esquissés, comme à Cussac, ou représentés sous forme hybride : mi-homme mi-lion par exemple. La caverne du Pech Merle dans le Lot a livré quelques représentations humaines: un homme blessé et des silhouettes féminines aux formes généreuses. Dans plusieurs cavernes, les chercheurs ont trouvé également des empreintes de main en négatif.
On ne dessine pas un bison de la même manière dans la grotte de Lascaux en Dordogne ou à Chauvet. En fonction du lieu et de son environnement, il est plus simple de réaliser des peintures, des gravures ou des sculptures. La grotte de Cussac en Dordogne, par exemple, est essentiellement ornée de gravures de grandes dimensions et la grotte du Tuc d'Audoubert, dans l'Ariège présente des sculptures de bisons modelées dans l'argile.
Dans certains cas, les animaux sont représentés schématiquement et sans soucis d'échelle. Parfois au contraire, les représentations sont à taille réelle et un soin particulier est apporté au relief. A Lascaux, les bovins peuvent atteindre 5 m de long. A Altamira en Espagne, certains bisons épousent les protubérances de la roche pour créer un effet de relief.
Sur de nombreux sites, les contours des panneaux sont délimités par les accidents naturels de la grotte, telles les niches et les fissures.
Les figures peuvent être très proches les unes des autres, parfois enchevêtrées comme aux Combarelles dans le Périgord. La Frise noire du Pech Merle s'étend sur 7 mètres de long et 2 de haut et compte pas moins de 25 figures (mammouths, bisons, chevaux, aurochs...)
Les hommes préhistoriques utilisaient plusieurs pigments primaires: l’oxyde de fer ou l'argile pour la couleur rouge, le manganèse ou le charbon de bois (genévrier ou pin) pour le noir et l'argile pour l'ocre qui offrait une variété de nuances allant du jaune au brun en fonction de leur teneur en oxyde de fer (hématite, limonite) mais pouvaient également être modifiées par chauffage. La couleur blanche, le kaolin, n'était pratiquement jamais utilisée. Des analyses récentes ont montré qu'au Magdalénien, dans les Pyrénées (Grottes de Niaux et de Fontanet dans l'Ariège), les hommes préhistoriques avaient mis au point des recettes à base de talc, de biotite ou de potasium et de pierres broyées afin que le pigment adhère mieux à la paroi de la caverne et que la peinture ne craquèle pas.
Les artistes du paléolithique appliquaient la peinture en soufflant dans un tube (en roseau ou en os) ou directement avec la bouche (technique du crachis ou soufflé). Ce système permet d'obtenir des dégradés et peut se combiner avec la technique du pochoir qui servait à délimiter les surfaces. (Ex les mains en négatif). Les chasseurs-cueilleurs procédaient également par la juxtaposition de points et de traits pour délimiter les contours du dessin. Le remplissage s'effectue grâce au procédé du badigeonnage en utilisant des peaux ou des fourrures pour appliquer les pigments.
On peut fabriquer des pinceaux à partir de poils d’animaux ou de matériel végétal. Le tracé au doigt s'emploie sur les surfaces tendre comme l'argile tendre. Les gravures sont réalisées par percussion à l'aide d'une pointe de burin en silex. La technique du raclage ou du grattage permet ensuite de faire apparaître des nuances de couleurs et des effets de volume. Parfois, la gravure et la peinture sont associées dans une même représentation. Selon la forme de l'extrémité de l'instrument de gravure, les tracés obtenus sont différents : fin, épais ou multiple.
A cause de l'érosion, des blocs de pierre sculptés ou gravés peuvent se détacher de la paroi de la grotte et se confondre avec le mobilier réalisé sur des supports transportables en ivoire, os, bois etc. La Vénus de Laussel ou Vénus à la corne, découverte à Marquay en Dordogne, s'est détachée d'un bas-relief réalisé dans un bloc de calcaire. Les archéologues ont exhumés de nombreuses plaquettes gravées sur du grès, du schiste ou du quartz. A Parpallo, près de Valence en Espagne, ils ont répertoriés plus de 5 000 pièces de ce type.