Η έρευνα της προϊστορίας στη Θεσσαλία στηρίχτηκε ως τώρα σε ανασκαφές σε υπαίθριους νεολιθικούς οικισμούς (μαγούλες). Πρώτος ο Δ. Θεοχάρης αναφέρθηκε στο σπήλαιο της Θεόπετρας λόγω των εργαλείων της Μέσης Παλαιολιθικής εποχής που εντοπίστηκαν εκεί. Από ασβεστόλιθους της Ανώτερης Κρητιδικής περιόδου, η σπηλιά δεν έπαψε ποτέ να χρησιμοποιείται ακόμη και πρόσφατα ως καταφύγιο ή στάνη. Η τυπολογία των λίθινων εργαλείων πιστοποιεί την κατοίκηση του σπηλαίου κατά τη Μέση και την Ανώτερη Παλαιολιθική εποχή. Η τυπικά θεσσαλική κεραμική από την Αρχαιότερη, Μέση και Νεότερη Νεολιθική εποχή εμφανίζει δείγματα από τις τυπολογίες του Σέσκλου, Τσαγγλιού, Αράπη κ.ά., ενώ βρέθηκαν λίγα όστρακα των αρχών της Χαλκοκρατίας και λιγότερα ντόπιας μυκηναϊκής κεραμικής.
Πέτρινος τοίχος και άλλες ενδείξεις για την ύπαρξη κτισμάτων περιμένουν την ερμηνεία τους. Τα νεολιθικά ευρήματα περιλαμβάνουν σφονδύλια, οστέινες βελόνες του ραψίματος, οστέινο κουταλάκι, κοσμήματα από κοχύλια, λίθινα εργαλεία, μυλόλιθους. Από το οστεολογικό υλικό διαπιστώνεται ότι οι κάτοικοι ήταν κυνηγοί ελαφιών, αγριόχοιρων κ.ά. ζώων που τα κουβαλούσαν ολόκληρα στη σπηλιά, όπου τα τεμάχιζαν και τα έψηναν στη φωτιά, πριν τα φάνε – ενδεχομένως με την παρέα σαρκοβόρων.
Η ανασκαφή της Θεόπετρας προσφέρει για πρώτη φορά την απόδειξη συνεχούς κατοίκησης στο ίδιο σπήλαιο από την Παλαιολιθική ως το τέλος της Νεολιθικής εποχής. Πρόκειται για δύο εποχές που οι αρχαιολόγοι θεωρούν διαφορετικές καθώς καθεμιά τους είχε διαφορετικές περιβαλλοντολογικές συνθήκες.