Die Ulmer Dominikanerprior Felix Fabri beschrieb die Höhle erstmals im Jahr 1488. Bis zum Jahr 1790 veranstalteten Sontheimer Bauern jährlich zu Pfingsten ein Fest innerhalb der Höhle. Von 1825 an bis in die heutige Zeit findet stets am Pfingstsonntag ein Höhlenfest statt. Seit 1825 wird die Höhle als Schauhöhle genutzt, mit einer Strecke von 192 Metern Länge. Anfangs wurden die Felsformationen durch Pechfackeln schwarz gefärbt, aber heutzutage bilden sich wieder weiße Schichten.
Im Jahr 1957 wurde ein elektrisches Beleuchtungssystem installiert. Acht Jahre später wurde mit mehr als 600 freiwilligen Arbeitsstunden der Besucherweg neu errichtet und gleichzeitig eine neue LED-Beleuchtung montiert. Dadurch konnte die Sontheimer Höhle zu einer der ersten Höhlen in Deutschland und die erste auf der Schwäbischen Alb, die mit dieser Art von Beleuchtung ausgestattet ist, werden. Im Zeitraum von 2006 bis 2010 kamen durchschnittlich 3493 Besucher pro Jahr, wobei 2010 mit 3024 Besuchern das Schlusslicht bilden musste. Die Höhle gehört mittlerweile zum UNESCO Geopark Schwäbische Alb.
Man betritt die Höhle über ein Portal, das 12 Meter hoch ist, und sie besteht aus einer Reihe von Kammern. Der Fels verläuft bergab bis zu einer Tiefe von 31 Metern und verläuft durch schmale Lücken. Bemerkenswert sind auch die hohen Schächte. Der Weg macht viele Richtungsänderungen und man geht über Stufen zur tiefsten Kammer, die 20 Meter hoch ist. Bis zu einem Engpass, 70 Meter vom Eingang entfernt, ist die Höhle noch von der Außentemperatur beeinflusst, hinter dem Punkt herrscht eine konstante Temperatur von 7 °C.
Im vorderen Bereich der Höhle wurden 1929 durch Florian Heller pleistozäne Fledermaus spuren beobachtet. In ca. 125 Metern Abstand vom Eingang wurden bei Ausgrabungen des Landes-Denkmalamts Baden-Württemberg die Überreste einer alemannischen Begräbnisstätte mit zwölf Skeletten entdeckt, die auf Ende des dritten bis Anfang des vierten Jahrhunderts datiert werden.
