La excavación en diferentes puntos de la zona se inició en 1964, pero no se hizo de forma sistemática hasta la década de 1980. Desde entonces, han sido encontrados restos humanos cubriendo un amplio rango de tiempo, desde los primitivos Homo erectus, Homo heidelbergensis y Homo antecessor, hasta los restos más modernos de la Edad del Bronce.
En algunas de ellas, como la Gran Dolina, han sido encontrados restos fósiles y herramientas de piedra de algunos de los primeros homínidos de Europa.
La zona más famosa de excavación dentro de los yacimientos de Atapuerca es la Sima de los Huesos. Es una pequeña cámara situada en la base de un pozo de 13 metros de profundidad que se halla en la parte más profunda de la conocida como Cueva Mayor.
Los fósiles que se han encontrado en ella tienen una edad mínima de 350.000 años, correspondiendo al PleistocenoMedio. Contiene abundantes restos humanos, pertenecientes al menos a 30 esqueletos de la especie Homo heidelbergensis, un antecesor directo de los NeanderthAlgunos indicios apuntan a que la concentración de huesos en la cueva no es casual, sino que representa prácticas de enterramiento de sus habitantes.
En el yacimiento de la Gran Dolina se encontraron en 1994 los restos de lo que se describiría después como una nueva especie humana, el Homo antecessor, el último ancestro común del linaje que dio lugar a los neandertales por un lado, y el que culminó con nuestra especie. El estudio de los huesos de este hallazgo reveló huellas de cortes hechos por una herramienta humana, es decir, se determinó que estos antiguos habitantes de la Gran Dolina practicaban el canibalismo. Se han seguido hallando restos del Homo antecessor que confirman la importancia y riqueza de este yacimiento.
El yacimiento de la Gran Dolina tiene 18 metros de sedimentos que recorren una secuencia temporal que va desde hace un millón de años hasta hace 200.000 años. Se ubica en el interor de una trinchera del ferrocarril.
En los niveles inferiores se han encontrado restos de animales carnívoros, como el tigre de dientes de sable y la hiena manchada así como una nueva especie de oso antecesor del oso de la cavernas que ha sido bautizado como Ursus doliniensis, en referencia a su lugar de descubrimiento.
Se han encontrado asimismo útiles de piedra con antigüedad de un millón de años.
La Sierra de Atapuerca ha sido declarada Espacio de Interés Natural, Bien de Interés Cultural y, desde diciembre de 2000, Patrimonio de la Humanidad como consecuencia de los excepcionales hallazgos arqueológicos y paleontológicos que alberga en su interior.