Le réseau fut découvert en octobre 1838 par un chasseur d’Aiguèze (Gard) 3 . Au XIXème siècle, «l’antre» de Saint-Marcel, fréquemment visitée, passait pour « l’une des quatre plus grandes cavernes du monde ». La grotte de Saint-Marcel a été classée «Monument Historique» en 1934. Elle est célèbre aujourd’hui pour ses concrétions et son vaste réseau souterrain.
Les niveaux paléolithiques ont été mis au jour beaucoup plus tard. En 1972, à la suite d’un enlèvement de graviers pour des travaux de voirie, de l’industrie et de la faune ont affleuré sous l’auvent du porche. Ce nouveau gisement, attribué dès cette époque au Paléolithique, a été alors immédiatement clôturé. Deux ans plus tard, R. Gilles effectua un premier sondage à environ cinq mètres en retrait de la voûte du porche. Ce sondage a été poussé en 1975 jusqu’à quatre mètres cinquante en dessous du sol actuel sans atteindre le substratum. L’industrie alors mise au jour permit à R. Gilles d’attribuer le gisement au Paléolithique moyen (Gilles, 1977).
En 1978, d’autres sondages ont été entrepris à l’intérieur de la grotte, à plus de vingt mètres de l’entrée. Il s’agissait alors de vérifier si l’occupation du Paléolithique moyen s’étendait à l’intérieur de la grotte, comme c’est le cas pour la grotte voisine du Figuier. Mais la découverte fut bien différente. Elle permit de mettre en évidence des niveaux archéologiques beaucoup plus récents, du Néolithique et du Bronze final.
Ces recherches archéologiques se sont ensuite poursuivies par une fouille programmée dirigée par R. Gilles jusqu’en 1988 (Gilles, 1977, 1980, 1985, 1986). La grotte comprenant comme nous venons de le voir deux emplacements distincts d’occupation humaine, la fouille s’est déroulée alternativement selon les années dans l’un ou l’autre des deux sites.
Note du journal ardéchois L‘Administratif, Privas, le 27 octobre 1838 – « Grottes merveilleuses de Saint-Marcel et Saint-Martin-d‘Ardèche. »