La grotte du Mas d'Azil est un site du Paléolithique supérieur qui était certainement d'une très grande richesse archéologique mais les objets qui nous sont parvenus ne sont qu'une infime partie de la production magdalénienne car les usages modernes et contemporains, ainsi que les recherches clandestines ont contribué à la destruction d'une grande partie du site. 9 figurations humaines ont été livrées par la grotte, étudiées par Jean-Pierre Dhuard (Gallia préhistoire, tome 34, 1992. pp. 289-301).

Un site archéologique

Des fouilles ont été menées par Edouard Piette (1827-1906) et de l'abbé Henri Breuil au tournant du 20e siècle. Piette y a travaillé de 1887 à 1892. Il a identifié sur la rive gauche une séquence culturelle inédite, entre le Paléolithique Supérieur et le Néolithique, qui a été nommé la culture azilienne. Elle se caractérise notamment par ses microlithes, la forme particulière des harpons ou les galets peints de motifs non figuratifs. Sa collection est conservée au Musée des Antiquités nationales de Saint-Germain-en Laye. L'abbé Breuil effectue deux campagnes en 1901 et 1902 et découvre des peintures rouges dans un cul-de-sac de la rive droite, représentant des parties du corps d'animaux (ventre de biche, ramure de renne, arrière-train de bison). Cette époque est celle d'une concurrence forcenée entre plusieurs chercheurs, entrecoupée de fouilles clandestines.

La galerie des Silex a été découverte par Joseph Mandement, conservateur du site entre 1936 et 1958, et fouillé par Marthe et Saint-Juste Péquart à la fin des années 1930. Ces travaux, menés scientifiquement par stratigraphie, sont à l'origine de la collection exposée au Musée de la Préhistoire du village. Mandement a travaillé à un dégagement important de la grotte et réalisé de nombreuses découvertes. Il est aussi à l'origine de la mise en valeur touristique du site, ainsi que de sa protection. Il transforme la galerie moustérienne dite "des Orus" en musée, où le public peut voir 21 crânes d'ours et deux molaires de mammouth.

Une grotte exploitée et valorisée

Jusqu'à la fin du 18e siècle, le salpêtre de la grotte fut extrait afin de fabrique de la poudre à canon. Lors des troubles religieux de l'époque moderne, les adeptes de la religion réformées auraient trouvé dans la grotte un abri sûr.

Cervini publie une lithographie de l'entrée de la grotte par Melling dans son Voyage pittoresque dans les Pyrénées françaises et les départements adjacents publié entre 1826 et 1830, montrant la célébrité du site. Il indique que lorsque les eaux de l'Arize sont basses, les gens du pays profitent du souterrain pour éviter de gravir la côte. Il précise qu'on y est incommodé par la grande quantité de chauve-souris et d'oiseaux nocturnes qui y sont établis. Dans son Mémoire historique sur le Mas d'Azil en 1843, Saint-Paul indique qu'il reste, côté aval, les vestiges d'un mur où s'élevait un portail architecturé, dont la clé de voûte portait des armoiries sculptées qui ont été réutilisées comme contre-coeur de la cheminée d'un vigneron voisin. Des vaches figuraient sur ces armoiries.

En 1857, les aménagement de la route impériale n° 119 ont révélé de nombreux vestiges. à l'occasion des travaux. Ils ont été étudiés dans les années 1860 par l'abbé Pouech, Garrigou, E. Filhol, F. Regnalt, Cau-Durban et Eugène Trutat. Dans le cadre de la construction de cette section de la route entre Carcassonne et Saint-Girons, la grotte et sa route ont été photographiés dès 1866-par Provost pour l'Exposition universelle de Paris de 1867. La route n'a pas résisté à la crue de 1875 et a été reconstruite en 1876 dans un position surélevée et plus décalée de la rivière.

La grotte est photographiée entre 1868 et 1873 par le baron Arthur Taylor. Elle devient une curiosité touristique et est par la suite l'objet de nombreuses photographies et cartes postales, notamment par le photographe toulousain Eugène Trutat.

Dans la première partie du 20e siècle, l'exploitation du guano de chauve-souris, utilisé comme fertilisant des sols, a été excessive et a dû être régulée.

En 1925, la municipalité du Mas d'Azil tente d'aménager un théâtre dans un salle de la grotte, mais le bruit de la rivière rend la chose impossible. En 1940, la commune cède les droits d'usage de la grotte à la Société nationale de construction aéronautique du Midi pour la durée de la guerre, mais l'armistice met un terme à ce projet.

En complément de la protection au titre des monuments historiques en 1942, l'ensemble a bénéficié d'une protection au titre des sites naturels. Le cours souterrain de l'Arize a été classé au titre des sites le 02 décembre 1943. Les débouchés de la grotte du Mas d'Azil ont été inscrits au titre des sites le 07 février 1944 tandis que la route nationale 119, dans le tunnel du Mas d'Azil est également inscrite le 12 avril 1944. Ces protections ont été mis en place pour préserver le site de projets destructeurs (hydroélectrique et armement).

Au début des années 2010, un important chantier rénove le parcours des visiteurs, selon les plans de l'architecte Olivier Weets qui conçoit également un nouveau bâtiment d'accueil de 300 m², édifice sans fondation qui, avec son profil courbé, épouse les lignes de la grotte.

Depuis 2011, un programme de recherche pluridisciplinaire a permis de révéler des occupations plus anciennes, notamment de l'Aurignacien (-39 000 à -35 000). Il a été également établi que pendant la dernière période glaciaire, l'Arize a transporté de nombreux sédiments qui ont obstrué la grotte. Un grand lac s'est formé en amont, empêchant l'accès à la cavité aux populations humaines qui n'ont pu revenir qu'il y a 25 000 ans, à la faveur du réchauffement climatique qui a suivi cette période.