在西班牙东部的阿尔塔米拉洞穴中，德·索图拉发现了许多旧石器时代的动物骨骼和燧石工具，还发现洞穴壁上的黑色壁画。四年后，他第二次来到阿尔塔米拉，希望有更大的收获，这一次他带来了5岁的小女儿。当他在阿尔塔米拉洞穴中发掘时，在一旁独自玩耍的小女儿突然惊呼起来：“牛！牛！”她发现的就是今日驰名世界的阿尔塔米拉洞穴壁画。洞顶和洞壁上画满了各色各样的野猪、野牛、野鹿和野马之类的动物，千姿百态。闻名世界的壁画就这样很偶然地被发现了，同时它也被认为是现代美术的开端。
阿尔塔米拉洞穴很大，长度有400多米。据说，这个洞穴是由一条地下水道冲刷形成的，著名的壁画就在洞口的左侧，长约11米，宽约5米，共绘制了170多个风格迥异的动物形象。壁画线条活泼，布局合理，色彩鲜艳。壁画充分利用了岩石表面高低不平的特征，来表现动物的肌肉和骨骼的变化，手法之高超令人赞不绝口。
德·索图拉在《桑坦德省史前遗物简介》中公布了阿尔塔米拉的壁画，认为其年代属于旧石器时代。索图拉的发现和见解立即在学术界中引起巨大的争议。虽然当时法国的德·莫尔蒂耶教授以及马德里古生物学威兰诺瓦·依·比拉支持索图拉的看法，但是反对派的势力占绝大多数，学术界普遍对此持否定态度。他们认为原始人不可能具有如此高超的艺术表现力，甚至有人指责索图拉是个骗子，怀疑这些画是伪造的。因此，阿尔塔米拉洞穴壁画公诸于世后，虽掀起一阵狂澜，但很快便平息下去。到1888年索图拉抱憾离开人世时，他的重大发现仍然未能得到世人的认可。
直到1901年，接二连三的史前居住遗址中雕刻品和洞穴壁画艺术被陆续发现后，人们对于阿尔塔米拉洞穴壁画才有一个重新认识和评价，相信它是史前时期人类创造的辉煌的、不同凡响的艺术杰作。
现代考古研究成果表明，凡是人类曾经居住过的洞穴遗址都有原始壁画遗迹，内容都以动物为主，如野马、野牛、野鹿、狮子、熊、犀牛等等，因此有人认为洞穴艺术就是表现动物形象的艺术。先民们绘制那些他们认为对自己起着举足轻重作用的动物，这些动物或者是给他们提供赖以生存的食物，如野马、野牛等；或者是对他们生存的环境构成严重的威胁，如狮子、老虎、熊等；或者是人类生存生活的必需品，如象牙、鹿角等。然而，从艺术技巧上来看，原始人类的艺术水平极其低下，大多绘画作品线条呆板，比例失调，色彩失真。即使是数千年前的洞穴壁画艺术，其绘画水平也是十分拙劣的，根本无法与阿尔塔米拉洞穴壁画相提并论，难怪西方学者坚信它是近人的伪作。
阿尔塔米拉洞穴壁画中，艺术成就最高的可能要算绘在岩洞顶部的一幅“受伤的野牛”图像。这只凶猛的野牛，负伤后身躯蜷缩成一团，抽搐的四蹄、弯曲的牛角、甩动的尾巴、直竖的耳朵、可怜的神态都极富动感和艺术夸张力。野牛临死前困兽犹斗的状态淋漓尽致地呈现在世人眼前，令人不由得赞叹原始艺术家高超的技术。
洞穴中除了写实作品之外，还有许多抽象的图形，大多数位于动物图像的周围，有的用黑色的粗线条勾勒，有的用浓重的暖色涂画，部分地区还略加晕染。人们猜测，它表达了原始人类渴望征服野兽的愿望，更确切地说，可能与原始狩猎宗教有关。
然而，令人费解的是，居住在阿尔塔米拉洞穴的原始居民为什么能够创造出如此惊人的辉煌艺术成就呢？迄今尚未找到满意的答案。据说，阿尔塔米拉洞穴每天接待参观人数只限35人，而且还必须事先预定。我们相信，随着科学的发展和考古新发现的不断涌现，人类一定能够解开阿尔塔米拉洞穴壁画之谜。