A gruta de Vale Telheiro é conhecida pelas populações locais há várias décadas e sabe-se que dela eram retiradas estalactites e outras formações. As primeiras pesquisas documentadas corresponderam às realizadas na década de 60 do século XX pela arqueóloga Isilda Martins. 

A gruta desenvolveu-se na paisagem cársica de Vale Telheiro (uma paisagem de calcários fissurados e moldados pela ação da água). Da primeira sala partem diferentes ramificações, e a progressão revela-se complexa, com diversas condutas irregulares, desníveis e câmaras, que lhe conferem uma estrutura labiríntica. Atendendo ao seu desenvolvimento e características, esta é uma das grutas mais apreciadas e visitadas pelos espeleólogos no Algarve, tendo sido uma opção habitual para a realização de visitas guiadas e ações de formação/sensibilização.

Em 2016, esta gruta foi reconhecida, através de uma publicação na revista Science, como hotspot de biodiversidade subterrânea a nível mundial, uma classificação que implica a existência de mais de 20 espécies cavernícolas. Existem atualmente mais de 25 espécies cavernícolas reconhecidas e registradas nesta gruta, incluindo várias endêmicas, das quais se destaca o pseudoescorpião-gigante Titanobochica magna.