Почему так называется Денисова пещера, объясняет местное предание. В конце XVIII века здесь жил старообрядец Дионисий, которого жители соседних сел называли Денисом. Пещера служила ему кельей, куда люди приходили за советом и благословением. У алтайцев сохранилось другое название — Аю-Таш, или Медвежья скала.
Археологические раскопки в пещере начались в 1977 году. Исследователь Николай Оводов заложил разведочные участки возле входа и в центральном зале. Уже первые работы принесли успех: были найдены каменные орудия, фрагменты керамики, изделия из кости и бронзы. С 1982 года пещеру изучают сотрудники Института археологии и этнографии СО РАН. В толще грунта археологи выделили культурные слои, которые хранят следы жизни людей и животных на протяжении примерно 300 000 лет.
Главное открытие связано с находкой 2008 года — фрагментом фаланги мизинца девочки. Генетический анализ показал, что кость принадлежала ранее неизвестной группе древних людей. Денисовский человек получил название по пещере, где нашли его останки. Результаты исследования опубликовали в 2010 году, после чего природный и археологический памятник приобрел мировую известность.