Forma un conjunt amb la cova de la Vila i altres cavitats de la zona, que geològicament tenen l’origen en els conglomerats resultants de les terres emergides fa uns 25 milions d’anys. Els nombrosos rius i torrents que hi desembocaven donaren lloc a una zona d’alta concentració hídrica. La filtració de les aigües subterrànies provocà com a resultat de l’erosió l’aparició de fissures i fractures en forma de coves. En total, la gran cavitat natural, travessada per un riu subterrani, supera els 3,5 km de longitud de galeries. Descoberta el 1853, no fou explorada fins un segle més tard, i hi tingué un protagonisme destacat l’espeleòleg Diego Ciuraneta i Franch, que el 1957 traspassà el primer sifó. Aquest mateix any s’identificaren les primeres restes arqueològiques, corresponents a l’edat del bronze, i en 1961-62 Salvador Vilaseca hi feu la primera excavació. El 1994 s’inaugurà la museïtzació de la cova. El 2010 finalitzaren les obres d’adequació de la cavitat adjacent (cova de la Vila) i de l’accés a la cova museu. Emparada en el complex museístic de les Coves de l’Espluga, ofereix un recorregut subterrani museïtzat de descoberta de la formació geològica, dels hàbitats de la prehistòria i de l’evolució de l’entorn.
Habitada durant un llarg període de temps que abasta des del Paleolític inferior fins a l’època romana, entre les troballes més notables fetes a la cova cal esmentar un conjunt de restes animals associades a alguns instruments lítics identificats com d’època mosteriana (Paleolític mitjà), que hauria estat vinculada a ocupacions estacionals de neandertals. L’any 2019 s’hi descobrí vora un centenar de gravats figuratius i simbòlics de fa uns 15.000 anys, la mostra d’art rupestre més antiga dels Països Catalans. També hi han estat identificats materials ceràmics corresponents al Neolític i una primera ocupació sedentària, datada pels volts del 4.600 aC. A més dels testimonis d’activitat agrícola i ramadera, hi ha proves de la utilització de la cova com a espai funerari (restes d’enterraments, aixovars i ornaments). Després de l’esmentada ocupació de l’edat del bronze, en les fases de la primera edat del ferro (650-550 aC) i ibèrica (550-450) l’abundància de vasos ceràmics i altres objectes de tipus votiu reforça la hipòtesi de l’ús continuat de la cova com a santuari, que es manté durant l’època iberoromana (segle II aC). En època romana, l’entrada va restar tapada i s’interrompé l’ocupació.