Это старейшее направление деятельности, которое привело к созданию уникального музея. Первая стоянка в Костенках была открыта Иваном Семеновичем Поляковым 28 июня 1879 года. С тех пор здесь обнаружено около 60-ти древних поселений, и есть огромная доля вероятности, что можно найти еще новые памятники. Недаром когда-то еще в самом начале исследований в Костенках русский археолог А.А. Спицын прозорливо назвал их «жемчужиной палеолита».
История исследований Костенок – это история российской (советской) археологии палеолита в миниатюре. Для русских исследователей Костенки это «археологическая Мекка»: считается обязательным для исследователя хотя бы раз в жизни там побывать во время раскопок. Здесь были все самые известные представители этой науки: П.П. Ефименко, П.И. Борисковский, С.Н. Замятнин, А.Н. Рогачев. Здесь сложилась знаменитая «костенковская школа исследований», характеризующаяся одновременно широтой поставленных теоретических задач и дотошностью в исследовании фактического материала.