Пещера Петралона была обнаружена в 1959 году жителем одноименного населенного пункта Филиппосом Хантзаридисом.

Примерно в 100 метрах к югу от сегодняшнего искусственного входа (позади музея) находится расщелина в скале в верхней части, откуда два односельчанина старца Филиппоса спустились на веревках и увидели украшенные сталактитами и сталагмитами внутренние полости пещеры вместо ожидаемого источника воды.

Всемирную известность пещера приобрела в 1960 году, когда другой житель Петралоны, Христос Сарияннидис, обнаружил череп архантропа (неандертальца).

Систематические раскопки начались в 1965 году основателем Греческого Археологического общества, профессором Арисом Пулианосом, который доказал, что возраст «петралонского неандертальца» насчитывает около 700 000 лет и что речь идет о древнейшем человеке переходного периода от Homo erectus (человека прямоходящего) до Homo sapiens (человека разумного).

Исследования продолжаются, несмотря на периодические остановки в работе, в рамках Греческого Археологического общества, как самим основателем, так и его сыном – Проф. Никосом Пулианосом.