La grotta si apre alle pendici del Monte Cervati, a 1200 m di quota, a pochi chilometri dal comune di Monte San Giacomo (SA).
La scoperta di un deposito preistorico, conservato sul talus esterno e all'interno della cavità, è stata effettuata nel luglio 1999, nel corso delle ricognizioni condotte dalla Cattedra di Paletnologia dell'Università di Napoli Federico II.
Il rinvenimento in superficie di alcuni frammenti di ceramica di impasto, attribuibili all'età del Bronzo, suggerì l'apertura di un sondaggio di limitata estensione, e di un successivo scavo che venne condotto nel luglio del 2000.
La Grotta dei Vallicelli presenta un importante deposito archeologico dello spessore di diversi metri e con un'estensione valutabile in diversi metri cubi di sedimenti nell'area antistante la cavità.
La porzione superiore della sequenza stratigrafica finora individuata è caratterizzata da un deposito di circa 40 cm di spessore di terreno scuro, misto ad abbondante pietrisco e blocchi di frana provenienti dal disfacimento di parte della volta della cavità, in cui sono stati rinvenuti abbondanti materiali fittili di impasto, insieme a numerosi scarti e manufatti di selce riferibili all'età del Bronzo antico, all'Eneolitico e ad una facies del Neolitico medio.
Al di sotto di questo livello si osserva la presenza di un deposito argilloso, di colore giallo-bruno, privo di pietrisco, riferibile alla fine del Pleistocene superiore.
In esso è conservata, con frequenza crescente verso la sua porzione inferiore, abbondante industria litica riferibile ad un Musteriano di tecnica Levallois, associata a resti di fauna (denti e frammenti di diafisi intenzionalmente scheggiate per l'estrazione del midollo), rappresentata soprattutto da capriolo (Capreolus capreolus) e cervo (Cervus elaphus).
La serie olocenica si collega, con i suoi materiali più tardi, ai resti del Bronzo antico della vicina Grotta del Pino nel comune di Sassano (SA), mentre i materiali riferibili all'Eneolitico e al Neolitico medio prolungano ad epoche assai più antiche del previsto le testimonianze di presenza umana in quest'area del Parco, fino ad un altitudine raramente interessata, in altre parti d'Italia, da una simile evidenza archeologica.
La presenza di ossidiana, la cui origine non è stata ancora analizzata, indica inoltre una ramificazione dei contatti tra aree interne e costiere di questa parte dell'Italia centrale, assai più intensa di quanto finora presumibile.
Altrettanto si può dire per il complesso musteriano di tecnica Levallois rinvenuto nel deposito pleistocenico, che rappresenta finora la prima segnalazione di industrie in stratigrafia e associate ad un contesto paleontologico, riferibili al Paleolitico medio nel versante più orientale del Parco.
L'insieme è attribuibile, soprattutto in considerazione della quota piuttosto alta alla quale si apre la cavità (circa 1200 m), ad una fase relativamente temperata del Würm antico, tra circa 50.000 e 40.000 anni fa. I suoi confronti più immediati possono essere preliminarmente effettuati con i livelli più antichi della Grotta di Castelcivita, con datazione Carbonio 14 a circa 40.000 anni.