Đường lên hang rất thuận tiện. Bề mặt hang khá bằng phẳng, rộng gần 1.000m², trần hang hình vòm đầy nhũ rủ. Phần lớn diện tích cửa hang có ánh sáng tự nhiên, thuận lợi cho con người cư trú.

Dấu tích của người nguyên thuỷ tìm thấy chủ yếu ở khu vực giữa hang. Tầng văn hóa dày gần 2m, nằm sâu dưới bề mặt hang hơn 10cm. Tầng văn hóa có độ kết cấu khá mềm, được hình thành bởi đất sét trong hang đá có màu nâu sẫm, xen lẫn vỏ nhuyễn thể sông, suối và di vật khảo cổ. Qua mặt cắt địa tầng, thấy di tích có 2 lớp văn hóa phát triển trực tiếp lên nhau, không có lớp phân cách.

Lớp văn hóa sớm nằm ở phía dưới dày hơn 1m, chứa nhiều công cụ lao động ghè đẽo như công cụ chặt đập, nạo cắt, cuốc tay có đầu nhọn cùng một số đá nguyên liệu. Tất cả đều được chế tác từ những viên cuội sông suối, bằng kỹ thuật ghè đẽo thô sơ. Loại hình công cụ ở lớp này mang đặc trưng văn hóa Hòa Bình như công cụ hình đĩa, hình bầu dục, rìu ngắn. Cũng đã tìm thấy một số chiếc rìu mài hạn chế phần lưỡi.

Trong lớp văn hóa muộn dày gần 1m (nằm bên trên), thuộc lớp văn hóa hậu kỳ Đá mới, ngoài những công cụ đá cuội ghè đẽo đã tìm thấy rìu có vai, mài nhẵn toàn thân; đặc biệt là đã tìm thấy đồ gốm thô dày được nặn bằng tay, độ nung thấp, bên ngoài trang trí văn thừng. Cũng là lần đầu tiên người nguyên thủy ở Thẳm Vài đã biết dùng đồ gốm.

Trong các lớp văn hóa, đã tìm thấy khối lượng lớn xương răng động vật và vỏ nhuyễn thể sông suối như ốc, trai, trùng trục; vỏ mai rùa lớn. Đó chính là tàn tích thức ăn của người tiền sử. Đáng chú ý là đã tìm thấy dấu vết cháy và vết chặt trên những đoạn xương ống, chứng tỏ người nguyên thủy đã phân chia con thú săn được thành nhiều phần và nướng trên lửa.

Những dấu tích còn lại cho thấy săn bắt, hái lượm chiếm vị trí đặc biệt quan trọng trong phương thức tìm kiếm nguồn thức ăn của người nguyên thủy nơi đây. Sự có mặt của nhiều đá cuội nguyên liệu, phác vật đá và mảnh tước ở đây chứng tỏ việc gia công công cụ được làm tại chỗ.

Có thể Thẳm Vài là một di tích cư trú của nhiều thế hệ cư dân nguyên thủy. Lớp cư trú sớm nhất thuộc cư dân văn hóa Hòa Bình muộn, có niên đại khoảng 8.000 năm cách ngày nay, lớp cư trú muộn thuộc giai đoạn hậu kỳ đá mới có niên đại khoảng 4.000 năm cách ngày nay.