Les Homos sapiens sapiens qui prennent pied en Europe aux alentours de 40 000 ans ont pénétré dans la grotte à plusieurs reprises, au cours du Paléolithique supérieur :

Hormis un niveau Aurignacien très pauvre (autour de 30 000 ans) et quelques outils isolés Solutréens d’origine inconnue (autour de 20 000 ans), la quasi-totalité des vestiges recueillis sont du Magdalénien (autour de 13 000).

Le Mas d’Azil est un des plus anciens habitats des Hommes modernes de l’Ariège.

Ces occupations se sont ensuite perpétuées dans l’épipaléolithique, avec la culture azilienne (autour de 10 000 ans) et dans le Néolithique (vers 8 000 ans).

En résumant, on distingue trois grandes phases d’occupation du site : Magdalénien moyen, Magdalénien supérieur et Azilien.