通天洞遗址洞穴堆积较厚，发掘区最深处距地表约3米，已发掘部分划分出为14个地层单位，分为4组。1、2A层分别为早期铁器时期时代和青铜时代地层，2B层出土有很少量的具有细石器技术特点的石制品，他们属于上部文化层。3-5层为自然堆积的粗砂和花岗岩角砾，不见文化遗物。6A、6B、7、8A、8B、9层为旧石器时代文化层，出土有大量石制品和动物骨骼化石，并有原位埋藏的火塘等明确的遗迹现象。10层及以下为自然沉积的黄沙和花岗岩角砾层，尚未见底。

　　
旧石器文化层中出土的遗物包括编号标本两千余件，其中石制品约占2/3，动物骨骼化石约占1/3。此外还筛选出细小的动物化石及石制品标本万余件，筛选标本中以动物化石尤其是小型动物化石为主。石制品种类十分丰富，包括勒瓦娄哇石核、盘状石核、勒瓦娄哇尖状器、各类刮削器与莫斯特尖状器等典型的勒瓦娄哇—莫斯特文化的石制品。总体显示出较明显的旧大陆西侧旧石器时代中期文化特征，在国内同时期遗址中十分独特，填补了中国缺少典型旧石器时代中期莫斯特文化类型的空白。

　　动物骨骼破碎程度较高，有明显的切割、灼烧、敲击等痕迹，可鉴定种属包括食肉类、兔类、羊、驴、犀牛、棕熊以及鸟类等大量小动物骨骼，这个四万五千年前的动物群落为探讨这一时期人类对动物资源的利用方式和遗址环境变迁提供了宝贵的资料。

　　
旧石器文化层中还发现了保存较好的、原位埋藏的3个灰堆，呈较规整边界清晰的圆形，直径50-70厘米。如此清晰规整的用火遗迹在旧石器时代遗址中非常罕见。灰烬堆积以及数量众多的石制品与动物化石遗存表明，通天洞遗址为当时古人类生活居住之所。经对动物化石的14C测定，旧石器时代的文化层堆积的年代约为距今4.5万年。

　　
晚期地层中浮选得到了距今5200年的碳化大麦、小麦颗粒和黍颗粒，源自于西方的大小麦和源自于我国华北地区的黍相遇在这里，扩展了研究早期农作物交流的视野，对研究早期社会人群的生计方式及农业交流传播历史具有重要意义。

　　
早期铁器时代和青铜时代地层中发现的遗物包括陶器、铜器、铁器、石磨盘等，主要属于切木尔切克文化和卡拉苏克文化。二号洞口的探方中还发现了锡青铜残件、烧流的岩石、矿渣等。