Το σπήλαιο Νέστορα περιέχει κατάλοιπα διαχρονικής χρήσης, από τη Νεολιθική εποχή (ύστερη 6η και 5η χιλιετία π.Χ.) έως τους πρώιμους ιστορικούς χρόνους, Οι ανασκαφές στο σπήλαιο έγιναν σε διάφορες χρονικές περιόδους κατά τον 20ό αιώνα και συνδέουν τη θέση αυτή με σημαντικές στιγμές της ιστορίας της ελληνικής αρχαιολογίας. Η πιο πρόσφατη έρευνα έγινε στο πλαίσιο του προγράμματος ανασκαφών του Πανεπιστημίου Αθηνών από τον καθηγ. Γεώργιο Σ. Κορρέ στην περιοχή της Βοϊδοκοιλιάς στις αρχές της δεκαετίας του ’80. Η προηγούμενη έρευνα είχε λάβει χώρα στην αρχή της δεκαετίας του ’50 από τον William Α. McDonald και ήταν στο πλαίσιο των ανασκαφών του Πανεπιστημίου του Cincinnati στην Πύλο υπό τον Carl Blegen. Στην έρευνα του McDonald ήταν παρόν και ο νεαρός τότε Δημήτριος Ρ. Θεοχάρης. Σε ακόμα παλαιότερο χρόνο, το σπήλαιο Νέστορος συναντιέται με την ιστορία της ομηρικής αρχαιολογίας μέσω του Heinrich Schliemann, ο οποίος στα τέλη του 19ου αιώνα ήταν από τους πρώτους ανασκαφείς σπηλαίων στην Ελλάδα και αναζήτησε στο σπήλαιο Νέστορος και τον λόφο πάνω από αυτό ενδείξεις για τη μυκηναϊκή Πύλο.
Ωστόσο, παλαιές λαθρανασκαφές έχουν διαταράξει τον χώρο και προκαλέσει μεγάλο κατακερματισμό στην προϊστορική κεραμική, εμποδίζοντας την κατανόηση της χρήσης του σπηλαίου κατά την προϊστορία. Από τη νεολιθική φάση προέρχονται τμήματα από σκεύη τύπου Urfirnis, δηλαδή με επίχρισμα ή διακόσμηση που είχε στιλπνότητα η οποία οφείλονταν στην ειδική σύσταση του υλικού με το οποίο είχε καλυφθεί το αγγείο. Τα τροχήλατα κύπελα της Εποχής του Χαλκού, ένα μυκηναϊκό ειδώλιο και γραπτά της γεωμτερικής περιόδου υπογραμμίζουν λατρευτικές εκφάνσεις της χρήσης του σπηλαίου.
