La grotte, de vastes proportions, se déploie en plusieurs salles sur une longueur totale d'environ 500 m, suivant un plan en "Y". Les ouvres pariétales, peintures et gravures, se répartissent en de nombreux panneaux dans tous les secteurs de la cavité: la salle d'entrée, la salle Morel (possible accès extérieur paléolithique), la salle Brunel (plusieurs ensembles de ponctuations-mains positives partielles, signes complexes et diverticule des Ours; prédominance du pigment rouge), la Salle des Bauges (non ornée), la Galerie du Cactus (mammouths, félins et ours rouges exploitant les reliefs naturels de la salle), la galerie des Panneaux rouges (prolongement de la salle des Bauges, longue suite de panneaux ornés sur la paroi droite), les salles Rouzaud (traces de pigments), du Cierge ("antichambre" des salles profondes, zone de transition du décor), Hillaire (carrefour du "Y", décorations tracées au doigt sur l'argile couvrant les parois et quelques figures noires postérieures), du Crâne (crâne d'ours posé intentionnellement sur un bloc effondré), des Croisillons (figures tracées au doigt sur revêtements tendres), des Chevaux (longue et spectaculaire frise noire, comprenant une cinquantaine de figures, dont la stratigraphie figurative a pu être étudiée en partie), des Mégacéros (gravures et peintures noires, thèmes animaliers divers) et du Fond (vaste composition de figures noires - lions,rhinocéros, mammouths, chevaux, bisons - , figure hybride associé à une vénus sur un pendant rocheux).

Plusieurs dates radiocarbone ont été obtenues (méthode AMS), tant sur les pigments des ouvres pariétales que sur des mouchages de torches ou des charbons trouvés au sol. Les résultats montrent l'existence deux phases d'activités, la première entre 32 et 30000 BP (Aurignacien), la seconde entre 27 et 25000 BP (gravettien). Une troisième phase plus récente semble attestée autour de 23000 BP. Les figures de la grotte Chauvet constituent donc une des plus anciennes et spectaculaires manifestations d'art paléolithique du domaine franco-cantabrique. Le style et l'iconographie des figures peut se rapprocher de l'art mobilier aurignacien du Jura Souabe (Vogelherd, Hohlenstein-Stadel).