Первые, случайные палеоантропологические и археологические находки в пещере Шульган-Таш были сделаны в середине XVIII и конце XIX веков.
7 января 1760 г. П.И. Рычков в районе Сталагмитового
и Купольного залов обнаружил «сухую человеческую голову» (вероятно, человеческий череп) (Рычков, 1760). 3 марта 1897 г. члены Оренбургского отделения Императорского географического общества, ориентировочно в том же месте, нашли череп человека, частично покрытый отложениями кальцита (Симон, 1897). В июне 1899 г. сотрудники Зоологического музея Императорской Академии наук Р. Шмидт и Г. Якобсон подобрали в пещере нуклеус, который в последствии был передан на хранение в Музей археологии и этнографии (Кунсткамеру) г. Санкт-Петербурга (Матюшин, 1978).
После открытия в пещере палеолитических изображений в 1959 г., начались систематические исследования ее рыхлых отложений. За более чем 60 лет археологическими исследованиями охвачено 119 м2 пола пещеры.
С 1960 по 1974 гг. раскопки в пещере проводились Экспедицией Института археологии АН СССР под руководством О.Н. Бадера. В разных частях пещеры было заложено 5 раскопов. С 1982 по 1991 гг. археологические работы в пещере продолжила комплексная Южноуральская палеолитическая экспедиция Ленинградского отделения Института археологии АН СССР под руководством В.Е. Щелинского. Раскопки проводились только в зале Знаков, на участке, приуроченном к декорированной северной стене. Между ранними раскопами О.Н. Бадера, на площади 68 м2, был обнаружен и исследован стратифицированный участок с верхнепалеолитическим культурным слоем.
После перерыва, археологические работы в пещере возобновились в 2004 г. Археолог Т.И. Щербакова провела доисследование раскопов О.Н. Бадера в зале Рисунков, и отобрала образцы угля и грунта. В 2008 г. начали работу экспедиции Московского государственного университета им. Ломоносова (руководитель В.С. Житенев) и Института истории языка и литературы Уфимского исследовательского центра РАН (руководитель В.Г. Котов). С этого времени, раскопки в пещере проводятся ежегодно, на небольших площадях.