Το σπήλαιο Πετραλώνων βρίσκεται στους δυτικούς πρόποδες του ασβεστολιθικού όρους «Κατσίκα». Πρόκειται για οριζόντιο σπήλαιο με συνολικό μήκος διαδρόμων 1800 μ. περίπου, από τα οποία τα 700 έχουν αξιοποιηθεί τουριστικά. Ο λιθωματικός του διάκοσμος είναι πολύ πλούσιος με πολύπλοκες μορφές, όπως σταλακτιτικές κολώνες και παραπετάσματα.
Το σπήλαιο έγινε κυρίως γνωστό από τον εντοπισμό στο εσωτερικό του ενός ανθρώπινου κρανίου με αρκετά πρωτόγονα ανατομικά χαρακτηριστικά, τα οποία το καθιστούν ιδιαίτερα σημαντικό για τη μελέτη της ανατομικής εξέλιξης του ανθρώπου. Επίσης στο σπήλαιο έχει βρεθεί σημαντικός αριθμός οστών μεγάλων θηλαστικών, όπως αλόγων, αιγάγρων, μεγάλων βοοειδών, ρινοκέρων, λύκων, λιονταριών, υαινών, κ.ά.
Το σπήλαιο έγινε γνωστό για τα παλαιοντολογικά και παλαιοανθρωπολογικά του ευρήματα ήδη από το 1960, μετά την τυχαία ανακάλυψη σε αυτό από τον κάτοικο των Πετραλώνων Χ. Σαρρηγιανίδη, του περίφημου απολιθωμένου ανθρώπινου κρανίου. Η αξία του ευρήματος και η μοναδικότητά του έδωσαν αφορμή σε μια σειρά εργασιών μέσα και έξω από το σπήλαιο.
Στις δημοσιεύσεις για το σπήλαιο γίνεται λόγος για λίθινα και οστέινα εργαλεία, ο προσωρινός όμως χαρακτήρας των δημοσιευμάτων δεν μας δίνει μια σαφή εικόνα τους. Τα ευρήματα οπωσδήποτε είναι σπουδαιότατα και αποτελούν τις πρώτες μαρτυρίες κατοίκησης του ελληνικού γεωγραφικού χώρου.
Από ανθρωπολογικής άποψης το απολιθωμένο κρανίο είναι σπουδαιότατο εύρημα, όμως δεν υπάρχει ομοφωνία των ειδικών για την χρονολόγησή του και για την αξιολόγησή του. Οι κύριες απόψεις αποκλίνουν σημαντικά και το κρανίο θεωρείται ως ανήκον σε άνθρωπο που έζησε περίπου 700.000 χρόνια πριν από σήμερα κατά την μία και περίπου 200.000 χρόνια πριν από σήμερα κατά την άλλη.
Το Κρανίο ανακαλύφθηκε στις 16 Σεπτεμβρίου, 1960 στο Λόφο Κατσίκα Πετραλώνων, από τον Χρήστο Σαρηγιαννίδη (εφημ. “Μακεδονία” 18-9-1960), μέσα στο ασβεστολιθικό σπήλαιο και κολλημένο σε ένα σταλαγμίτη 23 εκ. πάνω από το έδαφος.
Το Κρανίο είναι ιδιαίτερα μεταβατικό στη μορφολογία του – τόσο πολύ, ώστε ορισμένοι πιστεύουν πως αντιπροσωπεύει μια ενδιάμεση κατάσταση ανάμεσα στον Homo neanderthalensis και τον πιο αρχέγονο πρόγονό του. Στην πραγματικότητα μοιράζεται αρκετά χαρακτηριστικά και με άλλα απολιθώματα Νεάντερταλ, αλλά υπάρχουν επίσης και χαρακτηριστικά πολύ πρωτόγονα. Στη γενική του εμφάνιση το Κρανίο έχει το πρόσωπο ενός Νεάντερταλ αλλά το κρανίο ενός αρχαϊκότερου τύπου. Αρχικά, το Κρανίο ταξινομήθηκε ως Homo neandertalensis, αλλά αργότερα επαναπροσδιορίστηκε ως Homo erectus. Σήμερα, όμως, οι περισσότεροι ερευνητές συμφωνούν ότι ανήκει στο είδος των απολιθωμάτων που βρέθηκαν στην Αταπουέρκα και άλλα σημεία στην Ευρώπη, τον Homo heidelbergensis.
Αρχικά, το Κρανίο χρονολογήθηκε στο βάθος των 70.000 χρόνων, μια ημερομηνία που αντιστοιχεί στα πιο πρόσφατα υπολείμματα Νεάντερταλ. Σύγχρονες χρονολογήσεις απέδωσαν το χρονικό βάθος των 700.000 χρόνων. Η πιο πρόσφατη, βασισμένη σε τεχνικές αντήχησης ηλεκτρονίου σε συνδυασμό με ραδιοχρονολόγηση και στρωματογραφικά δεδομένα, αποδίδει το ελάχιστο χρονικό βάθος των 200,000 χρόνων. Ωστόσο, η μορφολογία του κρανίου υποδεικνύει με μεγαλύτερη ακρίβεια στο χρονικό βάθος των 300.000 ή 400.000 χρόνων.
