U schyłku XIX wieku, archeolog i naukowiec-amator, Marcelino Sanz de Sautuola (Antonio Banderas) wraz z jego ośmioletnią córką Marią (Allegra Allen) odkryli w Kantabrii jedno z najważniejszych prehistorycznych dzieł w historii - malowidła na ścianach jaskiń Altamiry. Ten znamienity wkład w dziedzinę archeologii spotkał się natomiast z obojętnością i kpiną ówczesnej społeczności naukowej. Pomimo wysiłków mających na celu wykazanie oryginalności odkrycia, Sautuola został oskarżony o fałszerstwo przez Francuza Émila Cartailhaca (Clément Sibony), który był autorytetem w dziedzinie prehistorii w tamtych czasach. Dopiero po latach, pokonany licznymi dowodami, Cartailhac opublikował tekst "Mea Culpa de un Escéptico", w którym uznał znalezisko i jego globalne znaczenie.
Film "Altamira" to opowieść o walce, odwadze i pasji do historii i sztuki oraz obronie prawdy i honoru.