Οι αρχαιότερες επιχώσεις της Mέσης Παλαιολιθικής στη Θεόπετρα χρονολογούνται με βεβαιότητα μεταξύ 50.000 και 40.000 π.X. Σύμφωνα όμως με γεωλογικές ενδείξεις, η πρωιμότερη κατοίκηση ανάγεται πιθανότατα στα 70.000 πριν από σήμερα. Σε ένα από τα κατώτερα στρώματα, που είναι και το παλαιότερο με ίχνη φωτιάς, αποκαλύφθηκαν ίχνη από ανθρώπινα βήματα, που χρονολογούνται 46.000±1600 χρόνια πριν από σήμερα και εικάζεται ότι ανήκουν στον ανθρωπολογικό τύπο του Νεάντερταλ (Homo sapiens neanderthalensis).

Οι πλέον ενδιαφέρουσες επιχώσεις (πάχος 3 μέτρα) της Μέσης Παλαιολιθικής χρονολογούνται μεταξύ 50.000 και 33.000 πριν από σήμερα. Xαρακτηριστική είναι η πυκνή παρουσία εστιών(;) και στάχτης. Η λιθοτεχνία των στρωμάτων αυτών διακρίνεται για τη χαμηλή πυκνότητα των τέχνεργων, που όμως απαντούν σε μεγάλη ποικιλία τύπων. Eίναι κατασκευασμένα κυρίως σε μπεζ, πράσινο και ανοιχτό γκρι ραδιολαρίτη, ο οποίος αφθονεί στην οροσειρά της Πίνδου, δηλαδή σε ακτίνα 5-50 χιλιομέτρων από το σπήλαιο. Eκτός από το ραδιολαρίτη χρησιμοποιήθηκε, σε μικρότερο όμως ποσοστό, και χαλαζίας.

Για την κατασκευή των λίθινων τέχνεργων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Λεβαλλουά (Levallois), δίνοντας τα καλύτερα δείγματα λιθοτεχνίας της ελληνικής Μέσης Παλαιολιθικής: αμφίπλευρα (χειροπελέκεις), πλευρικά ξέστρα, οδοντωτά, μαχαίρια με ράχη και λίγες τυπικές μουστέριες φυλλόσχημες αιχμές.