Το Σπήλαιο Θεόπετρας σχηματίστηκε σε ασβεστολιθικά πετρώματα ηλικίας Κρητιδικού που βρίσκονται στη βορειοανατολική πλευρά ενός ασβεστολιθικού βράχου, 3χλμ. νότια της Καλαμπάκας, σε υψόμετρο σχεδόν 330μ πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και 100μ πάνω από την κοιλάδα του Πηνειού. Το σχήμα του σπηλαίου είναι σχεδόν τετράπλευρο με μικρές κόγχες (καρστικούς αγωγούς) στην περιφέρειά του, και έχει έκταση σχεδόν 500μ. Η είσοδος είναι τοξωτή, με άνοιγμα 17μ. και ύψος 3μ., επιτρέποντας στο εσωτερικό της να εισχωρεί άφθονο φυσικό φως. Η τοποθεσία γίνεται όλο και πιο σημαντική καθώς η ανθρώπινη παρουσία αποδεικνύεται σε όλες τις περιόδους της Μέσης και Ανώτερης Παλαιολιθικής, της Μεσολιθικής, της Νεολιθικής και πέρα, γεφυρώνοντας το Πλειστόκαινο με το Ολόκαινο. Η χρονολόγηση με ραδιενεργό άνθρακα δείχνει την ανθρώπινη παρουσία τουλάχιστον πριν από 50.000 χρόνια. Αρκετά χαρακτηριστικά του σπηλαίου υποδηλώνουν ανθρώπινη ενασχόληση. Το Σπήλαιο Θεόπετρας περιέχει μια από τις μεγαλύτερες αρχαιολογικές ακολουθίες στην Ελλάδα, που περιλαμβάνει πολιτιστικά κατάλοιπα της Μέσης και Ανώτερης Παλαιολιθικής καθώς και της Μεσολιθικής και της Νεολιθικής Εποχής. Τα αρχεία έχουν δείξει σημαντικά παλαιοπεριβαλλοντικά δεδομένα με βάση τα ιζηματογενή χαρακτηριστικά και τα βοτανικά κατάλοιπα. Τα ευρήματα περιλαμβάνουν έναν τεχνητό πέτρινο τοίχο που στέκεται μέχρι σήμερα, ο οποίος χτίστηκε περίπου το 21.000 π.Χ. Είναι το παλαιότερο γνωστό παράδειγμα τεχνητής κατασκευής. Το τείχος πιστεύεται ότι χτίστηκε για να προστατεύει τους κατοίκους του από τους ψυχρούς ανέμους στο απόγειο της τελευταίας εποχής των παγετώνων.
