Hang Thẳm Thinh nằm trên một ngọn đồi đá vôi lớn, cao khoảng 12m so với chân núi. Hang có cấu trúc tương đối đơn giản, gồm một khoang lớn và một hốc sâu vào núi. Bề mặt hang khá bằng phẳng, diện tích hơn 100m2, trần hang hình vòm có rất ít nhũ đá. Hầu hết khu vực lối vào hang đều nhận được ánh sáng tự nhiên, thuận tiện cho con người sinh sống.
Trước đây, do nằm gần khu dân cư đông đúc nên hang phục vụ nhiều mục đích khác nhau như làm nơi ẩn náu khỏi máy bay Mỹ, làm kho chứa đồ, làm nơi thờ cúng. Vì vậy, hang còn có tên là Hang Chùa. Hiện nay, trong động vẫn còn dấu vết của nhiều bàn thờ bằng đất, có tượng Phật vỡ và tượng Bồ Tát làm bằng đất sét màu. Một tấm bia ngang bằng gỗ đã bị hư hỏng nặng, chỉ còn lại ba chữ Hán “Từ Văn Quang” được đặt trên một bệ đất cao ở sâu trong hang.
Nhóm khảo sát tìm thấy dấu vết của con người nguyên thủy chủ yếu ở bên ngoài cửa hang. Tầng văn hóa tiền sử chủ yếu chứa đựng các hiện vật khảo cổ học như công cụ bằng đá (dụng cụ băm thô sơ, dao nạo, dao cắt, công cụ vảy, lõi có sẹo vảy), mảnh vỏ sò nước ngọt, xương động vật nhỏ...
Đặc biệt, công cụ vảy là hiện vật quan trọng tại các khu công cụ bằng đá, vì chúng được tách ra khỏi các nốt đá lửa tự nhiên hoặc các công cụ được làm lại, phản ánh kỹ thuật chế tạo công cụ bằng đá của người nguyên thủy. Sự hiện diện của một số lượng lớn công cụ vảy trong hang Thẩm Thịnh cho thấy người cổ đại đã chế tạo ra công cụ ngay tại nơi họ cư trú.
Dựa trên nghiên cứu toàn diện về hiện vật, tầng địa chất và so sánh với các di chỉ khác trong khu vực, có thể suy ra Hang Thẩm Thịnh là nơi cư trú của con người nguyên thủy vào cuối thời kỳ Pleistocene, có niên đại khoảng 15.000 đến 20.000 năm trước.
