Tại đây, các nhà khảo cổ đã tìm thấy nhiều dấu tích nhuyễn thể, công cụ gọt đẽo, những mảnh gốm thô, xương động vật, mai và yếm rùa, cùng nhiều dấu tích khẳng định cư dân Việt cổ từng sống trong môi trường biển tiến, được lưu giữ gần như nguyên bản trong khu vực hang động này.
Để đến được động Thiên Hà phải đi bằng thuyền qua nhiều thửa ruộng lớn, lộng gió. Sau đó đi bộ xuyên qua rừng vầu, rừng trúc uốn cong như cần câu, rồi trèo lên núi Tướng thấy ngay cửa động giống y miệng quái thú há rất rộng như muốn nuốt chửng bất kỳ thứ gì.
Vào động khô, cảnh vật chủ yếu là măng đá, nhũ đá có nhiều hình thù đẹp kỳ lạ như: Voi phục, hổ chầu, hình con cáo, khỉ, lâu đài, cung điện lấp lánh, huyền ảo; cùng nhịp điệu tí tách, thánh thót do hàng trăm giọt nước từ lòng núi nhỏ xuống bồi đắp lên bề mặt măng đá, nhũ đá thể hiện rõ một quần thể động “sống”. Cuối động khô là giếng trời thông lên đỉnh núi Tướng, nơi duy nhất nhìn thấy ánh sáng mặt trời soi rõ những khối nhũ đá xếp thành tầng lớp từ cao xuống thấp.
Kế tiếp là động nước, muốn di chuyển vào sâu trong phải đi bằng thuyền trên dòng sông ngầm khuất khúc, lấp lánh ánh bạc như giải ngân hà. Động nước có không gian vòm trần rộng hơn.
Theo nhiều người dân bản Mường Thổ Hà kể lại, nơi đây gọi là cung cấm, nơi các tiên nữ thường xuống trần vãn cảnh, vui đùa, tắm mát; có đảo hoa tiên, thêm sự sống động, huyền ảo liên quan đến các câu chuyện về các nàng tiên huyền thoại. Nhiều địa danh khu vực động Thiên Hà còn gắn liền với những điển tích lịch sử, văn hóa một thời như: Bến thuyền nhà Lê, thửa ruộng đấu lính là nơi triều đình nhà Lê triệu tập binh sĩ.
Năm 1997, quần thể hang động nêu trên được ông Hà Huy Lợi - một người ưa thích hang động ở Ninh Bình phát hiện ra. Lúc đó, toàn bộ động Thiên Hà chứa đầy bùn đất. Được sự cho phép của chính quyền địa phương, ông Hà Huy Lợi đã huy động nhân lực, phương tiện hút bùn làm phát lộ bên trong một quần thể hang động, nhũ đá, sông ngầm đẹp kỳ ảo, trở thành điểm đến hấp dẫn đối với du khách trong nước, quốc tế.
