Fumane è riconosciuto dalla comunità scientifica internazionale come uno tra i giacimenti più importanti d’Europa, poiché conserva in una straordinaria successione stratigrafica tracce delle occupazioni della grotta da parte degli ultimi Neanderthaliani e dei primi Homo Sapiens. I depositi costituiscono anche una importante fonte di informazioni per la ricostruzione dell’ambiente dei Lessini durante l’ultima glaciazione, con vari avvicendamenti di climi da temperato-umidi a freddo-aridi.
La grotta è larga circa 9 m e presenta una serie di gallerie interne, la più lunga delle quali misura 13 m. Al suo interno sono state individuate due fasi di occupazione: la più antica, riferibile all’Homo Neanderthalensis e databile tra 100.000 e 34.000 anni fa, la seconda, più recente, databile tra 34.000 e 10.000 anni fa.
I resti più antichi, riferiti ai Neanderthaliani, sono stati indagati su superfici limitate, tra i 6 e gli 8 mq, e hanno restituito decine di migliaia di schegge di selce e di resti faunistici, in alcuni casi inglobati all’interno di suoli di abitato ben conservati. Alcune aree si distinguono per la ricchezza di resti e di strutture legate alla produzione di strumenti in selce (tecnica Levallois), al depezzamento delle prede, alla frantumazione e all’utilizzo dell’osso, all’accensione di fuochi. Le strutture di combustione poggiano direttamente sul suolo oppure sono alloggiate in piccole depressioni opportunamente predisposte: ne sono state rinvenute nove, attorniate da schegge, strumenti ritoccati, ossa di erbivori fratturate intenzionalmente. Il depezzamento delle prede, in particolare stambecchi e cervi, è testimoniato dalla grande quantità di ossa, talvolta ancora in connessione anatomica e associate a strumenti litici. L’insieme dei rinvenimenti suggerisce una economia di sussistenza basata sulla caccia.
I resti riferibili ad Homo sapiens conservano le tracce dell’occupazione temporanea e reiterata della grotta, che le analisi dei dati faunistici suggeriscono avvenisse tra la fine della primavera e la fine dell’autunno. Essi comprendono alcuni focolari di dimensioni medio-grandi, le tracce di una possibile capanna, una grande quantità di strumenti in selce e di scarti di lavorazione, nonché conchiglie marine ornamentali, aree occupate da accumuli di ocra rossa e tracce della decorazione della volta, appunto in ocra rossa. Le strutture di combustione si trovano in depressioni subcircolari di diametro variabile da 100 a 50 cm e con profondità da 20 a 5 cm, che contengono livelli lenticolari di carbone, fondo arrossato dal calore, selci con tracce di alterazione termica e ossa a vari stadi di combustione, prevalentemente di cervo e stambecco. Manufatto di rilievo rinvenuto sul sito è una pietra dipinta in ocra rossa e raffigurante una figura antropomorfa con braccia tese verso l’esterno, il cosiddetto "Sciamano". La pietra è riferibile all’Aurignaziano (Paleolitico Superiore).
L’analisi dei dati faunistici consente di ipotizzare che la caccia di Homo Sapiens fosse legata ad ambienti diversi, tutti a breve distanza dal sito, e che fosse poco specializzata verso un tipo particolare di preda. La cacciagione proveniva infatti da ambienti a quote maggiori e minori rispetto a quella della grotta di Fumane, rispettivamente da praterie alpine e ambiente roccioso, come nel caso di stambecchi e camosci, e dal bosco sottostante la grotta, come nel caso dei cervi e dei caprioli.