Στο δρόμο Τρικάλων – Καλαμπάκας, 4 χιλιόμετρα πριν φτάσετε στην πόλη της Καλαμπάκας, δεσπόζει πάνω από το χωριό Θεόπετρα ένας βραχώδης ασβεστολιθικός όγκος. Στην βορειοανατολική πλευρά του βράχου βρίσκεται το ομώνυμο σπήλαιο της Θεόπετρας και πρόκειται για τη δυτικότερη προϊστορική θέση της θεσσαλικής πεδιάδας.
Στην καρδιά αυτού του επιβλητικού βράχου βρίσκεται ένα καλά κρυμμένο σπήλαιο και αποκαλύπτει τα μυστικά της ανθρώπινης προϊστορικής ύπαρξης. Τα ίχνη που χρονολογούνται πριν από 130.000 χρόνια μαρτυρούν ότι οι Νεάντερταλ ήταν εκεί.
Το σπήλαιο βρίσκεται σε υψόμετρο περίπου 100 μέτρα από την επιφάνεια της πεδιάδας και 280 μέτρα από την επιφάνεια της θάλασσας. Μπροστά από το σπήλαιο ρέει ο ποταμός Ληθαίος, παραπόταμος του Πηνειού. Η είσοδος του σπηλαίου έχει διαστάσεις 17×3 μέτρα, ενώ ο κύριος θάλαμός του, περίπου τετράγωνος με μικρές πλευρικές κόγχες, έχει έκταση 500 τετραγωνικά μέτρα.
Η επιστημονική σπουδαιότητα του σπηλαίου κρίνεται πολύ σημαντική για την προϊστορία όλου του Ελλαδικού χώρου καθώς, όπως σημειώνουν οι αρχαιολόγοι, είναι ένα από τα λίγα σπήλαια στην Ελλάδα με τόσο μεγάλο εύρος επιχώσεων που καλύπτουν την εξέλιξη του ανθρώπου σε μία περίοδο πολύ καθοριστική για την εξέλιξή του, της μετάβασης του, δηλαδή, από τον Νεάντερταλ στον Χόμο Σάπιενς.
Η ανασκαφή ξεκίνησε το 1987 από την αρχαιολόγο Αικατερίνη Κυπαρίσση-Αποστολίκα και συνεχίζεται έως και το 2005, οπότε και άρχισαν τα έργα για την ανάπλαση και ανάδειξη του σπηλαίου.
Τον Μάρτιο του 2009 οι αρχαιολόγοι βρήκαν ανθρώπινα αποτυπώματα που χρονολογούνται πριν από 130.000 χρόνια και αποτελούν σπανιότατο εύρημα όχι μόνο για την Ελλάδα, αλλά και για τη γηραιά ήπειρο. Εκτιμάται ότι τα ίχνη ανήκουν σε τέσσερα παιδιά ηλικίας 2 έως 7 ετών.
Η συστηματική ανασκαφική έρευνα κατέγραψε αφενός γεωλογικές επιχώσεις του Πλειστόκαινου και του Ολόκαινου, αφετέρου ανθρωπογενείς επιχώσεις, συνολικού πάχους περίπου 6 μέτρων. Αυτές βεβαιώνουν την αδιάκοπη χρήση του σπηλαίου κατά τη Μέση και Ανώτερη Παλαιολιθική, τη Mεσολιθική και τη Nεολιθική εποχή. Δείγματα (π.χ. κάρβουνο, ανθρώπινα οστά) προερχόμενα από τις επιχώσεις, που χρονολογήθηκαν με μεθόδους των φυσικών επιστημών, πιστοποιούν την κατοίκηση του σπηλαίου περίπου από το 50.000 μέχρι το 4000 π.X. Η χρήση του συνεχίστηκε περιοδικά και κατά την Εποχή του Χαλκού, αλλά και κατά τους ιστορικούς χρόνους, μέχρι και το 1955.
Είναι η πρώτη φορά που στη Θεσσαλία τεκμηριώνεται σπήλαιο κατοίκηση κατά την Παλαιολιθική εποχή, αφού τα περισσότερα γνωστά ευρήματα της εποχής αυτής προέρχονται από υπαίθριες θέσεις. Επιπλέον το σπήλαιο της Θεόπετρας αποτελεί το μοναδικό, τουλάχιστον μέχρι στιγμής, σπήλαιο στην Ελλάδα, όπου μπορεί να μελετηθεί και να χρονολογηθεί τόσο η μετάβαση από την Ανώτερη Παλαιολιθική στη Μεσολιθική όσο και το πέρασμα από τη Μεσολιθική στη Νεολιθική εποχή.
Στη στρωματογραφική ακολουθία της Θεόπετρας διακρίθηκαν τρεις ψυχρές περίοδοι: μια στη διάρκεια της Μέσης Παλαιολιθικής, μια στη διάρκεια της Ανώτερης Παλαιολιθικής και μια κατά την τελική Ανώτερη Παλαιολιθική, δηλαδή κατά το τέλος του Πλειστόκαινου.
