La grotte comprend environ 2 km de galeries, réparties sur 2 niveaux. Les galeries principales, de taille importante, ont une largeur moyenne de 10 m et une hauteur de 5 à 10 m. L'entrée actuelle se trouve à l'étage supérieur; l'entrée paléolithique se trouvait probablement à l'opposé. La galerie du Combel se trouve à l'est de l'entrée paléolithique. On y rencontre d'abord quelques ponctuations puis un panneau de figures rouges dénommé "la cage au lion", comportant un lion des cavernes auquel est superposé un signe en crochet, 2 chevaux et la ligne dorsale d'un bovidé ou d'un cheval, le tout accompagnées de 24 ponctuations rouges. Les autres figures du Combel se trouvent dans une petite salle: il s'agit du panneau dit "des antilopes" (animaux imaginaires, ou mégaceros femelles). A l'ouest de l'entrée paléolithique se déploient la majorité des figures de la grotte. "L'Ossuaire" est une salle à laquelle on accède par un couloir décoré de 4 mains négatives et de 3 ponctuations rouges. La voûte porte des tracés digitaux, où l'on peut reconnaître un mégaceros et peut-être deux autres cervidés incomplets. Sur les parois se trouvent un cervidé noir et une soixantaine de ponctuations rouges. "La Frise Noire", aussi appelée "Chapelle des mammouths", s'inscrit dans une alcôve de 7 m de longueur et 3 m de hauteur. Cette composition compte 11 mammouths, 5 bisons, 4 chevaux et 4 aurochs, tous dessinés au trait noir. Signalons également une nappe de ponctuations rouges , un cheval et deux mammouths gravés. On trouve dans la "Salle préhistorique" d'autres dessins au trait noir, reprenant l'association mammouth - bison: 3 bisons et 3 mammouths sur "la Corniche", 2 bisons et 2 mammouths sur un bloc sous le "Plafond des Hiéroglyphes" et 2 bisons à proximité des chevaux ponctués. Un possible poisson se trouve dans le couloir d'accès à la "Salle préhistorique". Le panneau des chevaux ponctués comprend, outre les deux chevaux noirs adossés, 6 mains négatives noires, 224 ponctuations noires, un brochet rouge, 7 empreintes négatives de pouces repliés rouges, ainsi qu'un cercle échancré et 28 ponctuations rouges. Au centre de la "Salle préhistorique", quatre blocs voisins portent des figurations rouges. On peut y voir une main négative, 12 ponctuations et au centre 8 figures féminines schématiques (les "femmes-bisons") un mammouth, 30 ponctuations et un protomé de cerf schématique. Dans la partie ouest de la "Salle préhistorique" se trouve un réduit dont la voûte est décorée d'un anthropomorphe percé de huit traits, relié à un signe tectiforme à cheminée (ou aviforme) rouge. Deux autres tectiformes incomplets ont également été dessinés. A proximité de ce "réduit de l'Homme blessé" on peut voir un aurochs, une vingtaine de bâtonnets et un bouquetin incomplet et schématique ; tous réalisés au trait rouge. Le "plafond des Hiéroglyphes" est une surface de 40 m² décorée de tracés digitaux. Ces tracés comprennent 3 représentations féminines, 6 mammouths et une tête de cheval ou un aurochs. La "Galerie de l'Ours" se déploie à l'ouest de la "Salle Préhistorique". Elle est décorée de gravures dont une tête d'ours réaliste, des aurochs et une biche.

H. Breuil classe la majorité des figures dans le cycle aurignaco-périgordien, les représentations de la "Frise Noire" se plaçant à la fin du Périgordien ou au début du Magdalénien. Pour A. Leroi-Gourhan, la décoration a été réalisée en 2 phases. Le premier sanctuaire comprend les figures de la galerie du Combel, de "l'Ossuaire", du panneau des chevaux ponctués, ainsi que le protomé de cerf et la main négative rouges à proximité du "réduit des Femmes-bisons", et le bouquetin et l'auroch rouge du "réduit de l'homme blessé". Dans ce premier sanctuaire, les signes quadrangulaires ponctués dominent. Le second sanctuaire se déploie dans la partie gauche de la "Salle préhistorique" et dans les parties profondes ("Frise Noire", "plafond des Hiéroglyphes", "réduit des Femmes-bisons", "l'Homme blessé" et signes aviformes). Le premier sanctuaire se placerait au Solutréen ou au Magdalénien ancien. Les figures du second sanctuaire ont été classées à la fin du style III en raison du plus grand réalisme des proportions et de la présence de signes en accolade préfigurant les claviformes du style IV ancien. Cette seconde phase se situerait au Magdalénien moyen. M. Lorblanchet divise la réalisation de la décoration en 3 phases. Les phases ancienne et moyenne reprennent respectivement les deux phases de A. Leroi-Gourhan. On peut placer dans ces phases toute une série de grottes ornées du Quercy (Marcenac, Roucadour, les Fieux, Cantal, Cougnac, les Merveilles...) formant un groupe régional bien distinct à l'intérieur du style III de Leroi-Gourhan. La troisième phase comprend les figures gravées dont la tête d'ours, particulièrement réaliste. Cette phase se range dans le style IV, pleinement magdalénienne; elle se retrouve à Sainte-Eulalie. L'étude palynologique a révélé l'incursion de pollens à trois reprises, lors de périodes distantes dans le temps. Deux datations ont été réalisées sur des charbons de bois provenant de sondages devant la "Frise Noire" et le panneau des chevaux ponctués : elles ont donné respectivement 11.200 + 800 BP (Ly 1861) et 11.380 + 390 BP (Ly 1200). Ces dates semblent trop jeunes, les échantillons étant trop peu abondants et les traces de pollutions modernes n'ayant pu être enlevées. Un cheval de droite du panneau des chevaux ponctués a été daté directement de 24.640 ± 390 BP (GifA 95357), donc au Gravettien, ce qui infirme la place de la phase ancienne de la décoration du Pech-Merle dans le style III. Un métacarpien de renne portant une trace de boucherie, trouvé dans les couches superficielles au pied du panneau des chevaux ponctués, a été daté de 18.400 + 350 BP