El realismo de sus escenas provocó, al principio, un debate en torno a su autenticidad. Su reconocimiento como una obra artística realizada por hombres del Paleolítico supone un largo proceso en el que, también, se van a ir definiendo los estudios sobre la Prehistoria.
Su primer defensor fue el propio Marcelino Sanz de Sautuola, su descubridor.
El artista de Altamira graba primero sobre la pared de la cueva la figura deseada con una piedra afilada. Posteriormente pinta sobre lo grabado, marcando el contorno en negro con carbón vegetal. El relleno va en ocre logrado a partir de óxido de hierro en polvo. Utiliza agua para diluir los pigmentos y los aplica o con la mano o con un tampón de materia vegetal o bien por soplado (aerografía) con un hueso hueco de ave y proyectándolos como si de una cerbatana se tratara. El pintor se ilumina con lámparas de tuétano, que dan una luz intensa y limpia y no ennegrecen las paredes. La humedad natural de la cueva fija y mantiene la frescura de los colores.
Los animales representados son bisontes, renos, mamuts, caballos, ciervos, cabras, etc. Algunos ya están extinguidos de Europa pues eran propios de clima frío. En Altamira concretamente, los bisontes son el animal más numeroso y aparecen de pie, mugiendo, echados, con la cabeza vuelta, etc. Casi todos están concentrados en el espectacular techo de 18 x 9 metros. El artista los pinta muy realistas, con muchos detalles (hocico, ojos, cuernos, pelaje, sexo, pezuñas, rabo, etc.), los conoce muy bien en su anatomía y comportamiento ya que los caza para comérselos. En un alarde de perfeccionismo, el pintor aprovecha los salientes naturales de la roca para pintar encima los bisontes y obtener un realismo absoluto con la sensación de relieve que se produce. Además de los bisontes, Altamira cuenta con caballos, jabalíes, cabras y una monumental cierva de 2,25 mts.
Destaca también la "Gran Cierva", la mayor figura pintada en la cueva, con 2,25 metros de longitud
Estas pinturas dan una sensación de realismo, que se consigue mediante el aprovechamiento de los abultamientos naturales de la roca que crean la ilusión de volumen, la viveza de los colores que rellenan las superficies interiores (rojo, negro, amarillo, pardos) y la técnica del dibujo y el grabado que delimita los contornos de las figuras.
