Qua nghiên cứu toàn bộ lòng hang Thẳm Un, Đoàn khảo sát đã phát hiện được nhiều di vật của người tiền sử. Kết quả khảo sát bước đầu cho thấy, dấu tích của người xưa tìm thấy hầu như khắp khu vực hang. Một phần bề mặt nền hang đã bị xáo trộn do hoạt động nuôi nhốt gia súc của con người thời hiện đại, khiến tầng văn hóa xuất lộ ngay trên bề mặt. Đoàn đã tiến hành đào thám sát một hố nhỏ 3m2. Căn cứ vào dấu vết để lại trong hố đào cho thấy, trầm tích văn hóa trong di tích dày 0,8m, có hai tầng văn hóa nằm trực tiếp lên nhau, không có lớp phân cách. Tầng văn hóa sớm nằm phía dưới, dày từ 0,6-0,65m có độ kết cấu khá cứng, được hình thành bởi đất sét trong hang đá có màu nâu sẫm, chứa di vật là những công cụ đá ghè đẽo, xen lẫn xương răng động vật, vỏ ốc. Tầng văn hóa muộn nằm ở lớp trên cùng có kết cấu bở rời, màu xám nhạt, chứa ít di vật khảo cổ. Trong hố đào đã phát hiện được 4 bếp lửa ở các vị trí và độ sâu khác nhau. Chưa phát hiện được dấu tích mộ táng. Tổng số có hơn 700 di vật được phát hiện, trong đó phát hiện trong hố đào là hơn 600 di vật và số sưu lượm trên nền hang là hơn 100, chủ yếu là công cụ lao động bằng đá.
Tất cả công cụ đá đều được chế tác từ những viên đá cuội sông suối. Loại hình công cụ ở tầng văn hóa sớm mang đặc trưng công cụ văn hóa Bắc Sơn như công cụ hình bầu dục, rìu ngắn, công cụ hình đĩa, cuốc mũi nhọn, hòn ghè, bàn mài, chày nghiền… Đáng chú ý là công cụ mảnh tước có kích thước nhỏ chiếm số lượng khá lớn trong bộ công cụ.
Những mảnh tước được tách ra từ đá cuội, được ghè tu chỉnh nhẹ men theo rìa mép của mảnh đá tạo thành con dao, cái nạo, lưỡi hái nhỏ rất thích hợp cho lao động săn bắt, hái lượm của người tiền sử. Ở tầng văn hóa muộn, số lượng di vật tìm thấy ít, đáng chú ý là chiếc rìu mài nhẵn có hai vai xuôi (bị vỡ một góc lưỡi) lần đầu tiên tìm thấy ở vùng núi Bắc Kạn. Đồ gốm đều là những mảnh vỡ từ nhiều loại hình khác nhau, chất liệu xương gốm pha nhiều bã thực vật, độ nung thấp, nặn bằng tay với hoa văn trang trí là văn thừng hoặc văn khắc vạch với những đường cong mềm mại xen kẽ là các nét chấm dải.
Bằng phương pháp sàng khô có chọn lọc, các nhà khảo cổ đã thu lượm được nhiều mảnh xương răng động vật, vỏ ốc suối và ốc núi cùng một vài hạt quả. Qua phân tích di tích xương động vật, bước đầu xác định có các loài khỉ, nhím, gà rừng, dúi, nai, lợn… Việc tìm thấy nhiều xương răng động vật và vỏ nhuyễn thể cùng những dấu tích còn lại cho thấy săn bắt, hái lượm chiếm vị trí đặc biệt quan trọng trong phương thức tìm kiếm nguồn thức ăn của người tiền sử nơi đây. Sự có mặt của nhiều hòn ghè, đá cuội nguyên liệu, đá có vết ghè và mảnh tước ở đây chứng tỏ quá trình gia công chế tác công cụ được tiến hành tại chỗ.
Theo Phó Giáo sư, Tiến sỹ Trình Năng Chung, Trưởng đoàn khảo sát, dựa vào nghiên cứu tổng thể các di vật, vào kết cấu và tuổi trầm tích địa tầng văn hóa, bước đầu các nhà nghiên cứu cho rằng, hang Thẳm Un là một di tích cư trú của nhiều thế hệ người tiền sử. Lớp cư dân sớm thuộc vào giai đoạn văn hóa Bắc Sơn muộn có niên đại từ 5.000 năm đến 6.000 năm cách ngày nay. Lớp cư dân muộn thuộc thời kỳ hậu kỳ Đá mới- sơ kỳ Kim khí có tuổi trên dưới 4.000 năm cách ngày nay. Đây là một di tích tiền sử hang động rất quan trọng.
Cùng với các kết quả nghiên cứu trước đây về khảo cổ học tiền sử Ba Bể, việc phát hiện và nghiên cứu di tích Thẳm Un góp phần làm phong phú hơn nhận thức về văn hóa tiền sử Bắc Kạn nói riêng và tiền sử Việt Nam nói chung. Các nhà khảo cổ đang có kế hoạch khai quật địa điểm hang Thẳm Un trong thời gian tới.
