H Ανώτερη Παλαιολιθική στη Θεόπετρα τοποθετείται 30.000-11.000 πριν από σήμερα. H μοναδική βαθμολογημένη χρονολόγηση που υπάρχει μέχρι στιγμής είναι 16.065-15.641 π.X., ενώ η τελική φάση της Ανώτερης Παλαιολιθικής χρονολογείται μεταξύ 16.500 και 10.900 χρόνια πριν από σήμερα. Στα κατάλοιπα της ανθρώπινης δραστηριότητας καταγράφονται εστίες, λίθινα και οστέινα τέχνεργα και, το σημαντικότερο, μάζες από άψητο πηλό. H ανεύρεση του πηλού, μορφοποιημένου πολλές φορές σε κυλίνδρους, υποδηλώνει την πρώιμη χρήση του άψητου πηλού ήδη από την πρώιμη Ανώτερη Παλαιολιθική, δηλαδή πολύ πριν την εφεύρεση της όπτησής του. Σε στρώματα της Ανώτερης Παλαιολιθικής αναφέρονται ίχνη από σκεύη φτιαγμένα από υλικά φθαρτά στη φωτιά (13.099-12.440 π.X.).

Aπό την περίοδο αυτή έχουμε τα πρώτα ανθρωπολογικά κατάλοιπα του σπηλαίου της Θεόπετρας. Πρόκειται για ένα τμήμα από κρανίο ενήλικου άνδρα του τύπου Homo sapiens sapiens, με πρώιμα όμως χαρακτηριστικά, που χρονολογείται στα 14.500 π.X. (14.620-14.380 πριν από σήμερα) και προέρχεται από διαταραγμένη ταφή.

Λίθινα τέχνεργα απαντώνται σε μεγάλη πυκνότητα, με χαρακτηριστικότερους τους πυρήνες από ραδιολαρίτη και τις μικρολεπίδες. Σε στρώματα της Aνώτερης Παλαιολιθικής (13.000 πριν από σήμερα) βρέθηκαν επίσης περίαπτα από δόντια ελαφιού και δόντια σπηλαίας άρκτου (Ursus speleus) με ίχνη επεξεργασίας. Tα τελευταία ευρήματα, καθώς και κόκκαλο ζώου με χαράγματα εννέα παράλληλων γραμμών, που δεν αποκλείεται να ανήκει στη Μέση Παλαιολιθική, είναι μερικά από τα λίγα δείγματα της παλαιολιθικής τέχνης στην Ελλάδα.

H μελέτη των καταλοίπων της χλωρίδας και της πανίδας διαφωτίζει τις διατροφικές συνήθειες των κατοίκων του σπηλαίου, οι οποίες διαφοροποιούνται από εκείνες της Μέσης Παλαιολιθικής. Στα φυτά συγκαταλέγονται φακή, βελανιδιά, σμέουρο, παπαρούνα, λαθούρι, λιθόσπερμο, ξιφάρα και άλλα. Στα οστά ζώων αναγνωρίστηκαν άγρια αιγοπρόβατα, ελάφια, χοίροι, λαγοί, πουλιά, μικρά θηλαστικά, σκύλος ή λύκος κ.ά.