La grotte est formée d'une unique salle ovalaire, longue de 45 m, large de 25 m et haute de 4 m en moyenne. Les décorations, proches de l'entrée, se trouvent dans la zone de pénombre. Elles se répartissent en deux groupes. Le premier a été divisé en 6 panneaux, renfermant quatre mains négatives (deux noires et deux rouges), une paire de cornes, 27 ponctuations rouges et une noire, trois chevaux noirs et un rouge, un cheval incomplet gravé, un cervidé noir, deux animaux indéterminés, un trait vertical rouge, un félin rouge. Le second groupe comporte un ensemble de 13 ponctuations rouges.

L'analyse de la stratigraphie figurative montre que les motifs noirs sont postérieurs aux motifs rouges. Le style des figures est hétérogène, parfois schématique, parfois réaliste. Le cervidé évoque le mammouth filiforme de Cougnac; le félin rappelle les figures du Combel à Pech-Merle; les mains et les ponctuations trouvent des parallèles à Cougnac, Pech-Merle, les Fieux et Roucadour. La décoration de la grotte des Merveilles se place donc dans la phase ancienne de l'art paléolithique du Quercy, correspondant aux styles II et III de Leroi-Gourhan.