Les études stratigraphiques, sédimentologiques et géochronologiques des formations de la Caune de l’Arago ont permis de reconstituer l’histoire de son remplissage.
Il y a 700 000 ans environ la grotte était complètement vide et elle constituait une grande galerie de plus de 123 mètres de longueur, de 10 mètres de largeur et elle pouvait atteindre 20 mètres de hauteur.
Entre 690 000 et 400 000 ans, d’importants dépôts qui dépassent 16 mètres d’épaisseur se sont accumulés dans la caverne. Une partie des sédiments, essentiellement limoneux et argileux, provient du plateau et a été transportée dans la grotte par le ruissellement. Une autre importante partie des sédiments, essentiellement sableuse, provient des alluvions quaternaires de la plaine. Elle a été apportée par le vent.
Entre 400 000 et 95 000 ans, la grotte était presque complètement comblée et son ouverture devait être très réduite. Les apports dus au ruissellement ou au vent deviennent très faibles et forment une alternance de lits de limons argileux à cailloux, interstratifiés de plusieurs planchers stalagmitiques.
Plus aucun dépôt ne s’est constitué dans la caverne après 95 000 ans. Ce n’est qu’à une période relativement récente, il y a moins de 35 000 ans, que la galerie d’entrée originelle s’est effondrée, que le porche a reculé jusqu’à son emplacement actuel, que la fenêtre s’est ouverte au plafond de la grotte.
Les eaux de ruissellement infiltrées par la fenêtre ont alors favorisé la troncature d’une grande partie du remplissage.
Après cette troncature, dont l'âge est postérieur à 35 000 ans, un petit dépôt contenant du matériel du Magdalénien final s'est déposé à l'entrée de la grotte.
