Fou habitada durant el Paleolític i conté dos nivells: l’inferior, amb indústries mosterianes (Paleolític mitjà), i el superior, amb restes del Paleolític superior. Descoberta per Amador Romaní (1909), que li donà el nom (el tradicional és balma del Fossar Vell), fou excavada i publicada per L. Marià Vidal (1911-12); posteriorment, E. Ripoll hi dirigí noves excavacions. L’any 1983 es reiniciaren les intervencions arqueològiques, dirigides per R. Mora, E. Carbonell, A. Cebrià i J. Martínez. La investigació se centrà en els estudis de paleoambient, aprofitament de la biomassa per les comunitats de caçadors i recol·lectors que empraren l’abric, adequació i ordenació de l’espai i explotació dels materials lítics, on s’evidencià la variabilitat de comportament i de resposta adaptativa al medi donada per l’Homo sapiens arcaic en aquest indret entre el 45000 i el 50000 aC.
A partir de l’octubre del 1998, el jaciment de l’abric Romaní es convertí en un parc arqueològic on es pot conèixer la manera de viure de l’home de Neandertal. Les excavacions, dirigides per Eudald Carbonell, han determinat les estratègies d’ocupació i subsistència, l’estructuració de l’hàbitat, la tecnologia del foc i la dels instruments. Les datacions efectuades situaren el registre estratigràfic —de prop de 20 m— entre els 40.000 i els 79.000 anys d’antiguitat, i s’han constatat 27 nivells arqueològics, 14 dels quals han estat excavats al llarg de diferents fases. L’any 2022 es descobriren les restes parcials d’un crani de neandertal de 60.000 anys d’antiguitat.
Forma part de l’anomenat conjunt arqueològic de la cinglera del Capelló, i és adscrit a l’Institut Català de Paleoecologia Humana i Evolució Social.