La cueva denominada Gran Dolina está totalmente colmatada por sedimentos que forman un yacimiento excepcional de más de 20 metros de profundidad. La construcción de la trinchera del ferrocarril cortó la cueva y destruyó su boca de entrada y parte del yacimiento. Pero nos ha quedado una gran parte de este último, expuesto a la vista en la pared derecha de la trinchera. El yacimiento de la Gran Dolina está organizado en once niveles estratigráficos, que se depositaron en distintos momentos del Pleistoceno, desde hace un millón de años hasta finales del Pleistoceno medio, hace unos 130 000 años. Los niveles de la Gran Dolina se nombran con la letras TD(Trinchera Dolina) y su número de orden correspondiente: TD1, el más bajo, a TD11, el más alto de la secuencia. Cada nivel puede estar formado por uno o más capas o estratos. En varios niveles se han recuperado restos fósiles de vertebrados y utensilios fabricados por los homínidos en sílex, cuarzo, cuarcita, arenisca y caliza. La entrada y el vestíbulo de la cueva fueron utilizados como campamento en algunos momentos del Pleistoceno, según demuestran las excavaciones de los niveles TD10 y TD6. La cueva de la Gran Dolina se abrió al exterior hace unos 900 000 años (nivel TD4). En ese momento entraron o cayeron animales en su interior. Durante la excavación de un sector de TD4 se han obtenido fósiles de ciervos gigantes y rinocerontes, entre otros mamíferos. También entraron homínidos en la cavidad, como lo demuestra el hallazgo de varias herramientas de cuarcita fabricadas con cantos recogidos en las terrazas del río Arlanzón. Este hallazgo se produjo en 1990 y demostró que los homínidos ya vivían en Europa en esa época tan lejana del Pleistoceno. Durante mucho tiempo la comunidad científica había considerado que los homínidos llegaron a Europa hace tan sólo medio millón de años, durante el Pleistoceno medio. No obstante, la prueba definitiva de la presencia de homínidos en Europa durante el Pleistoceno inferior se encontró en 1994 en el llamado estrato Aurora de TD6. Este nivel tiene entre 800 000 y 850 000 años de antigüedad, según demuestran los datos de paleomagnetismo, bioestratigrafía y dataciones realizadas por el método de los isótopos del uranio y ESR (Electro Spin Resonancia). La excavación de un área de entre seis y siete metros cuadrados del estrato Aurora permitió obtener 250 herramientas de piedra, varios millares de fósiles de vertebrados y casi un centenar de restos de homínidos. Se trata de la evidencia más antigua y directa de la presencia de una especie humana en el continente europeo. En el yacimiento de la Sima del Elefante, también situado en la trinchera del ferrocarril, se han obtenido las herramientas más antiguas de la sierra de Atapuerca. Todo parece indicar que hace en torno a 1 100 000 años los homínidos ya exploraban las cavidades de la sierra de Atapuerca.