I primi scavi a Grotta all'Onda risalgono al 1867 e vennero condotti da ricercatori del Comitato per le Ricerche di Paleontologia Umana di Firenze, che vi lavorarono sporadicamente fino al 1944, ricostruendo le principali fasi di abitazione della grotta. Fu anche effettuata una datazione della stalagmite che era alla base dello strato contenente l'industria litica del periodo dei Neandertaliani, e che è risultata di circa 40.000 anni di età.
Nel 1996 il Museo Archeologico di Camaiore ha iniziato nuove campagne di scavo con metodologie scientifiche più aggiornate e complesse che stanno fornendo nuovi interessanti dati sulle popolazioni che abitarono la grotta. Gli scavi archeologici e le analisi scientifiche sono tuttora in corso.
I reperti preistorici più antichi appartengono alla cultura del Musteriano, (Paleolitico Medio), relativa all'uomo di Neanderthal e databile a circa 40.000 anni da oggi; si tratta di un'industria litica ricca di strumenti in selce, molto simile a quelle rinvenute nella Buca del Tasso, nella Grotta del Capriolo e in altre grotte delle Apuane, oltre a resti di animali carnivori con netta prevalenza di orso delle caverne.
Recentemente è stato messo in luce un livello con reperti risalenti all'ultima fase del Paleolitico Superiore, databile a circa 10.000 anni da oggi: un focolare, ricco di resti ossei degli animali cucinati e di manufatti in selce di piccolissime dimensioni, i quali costituirono le parti taglienti delle lance e delle frecce utilizzate per la caccia. Sono numerosi gli strumenti a dorso, alcuni di pochi millimetri di lunghezza e i minuscoli grattatoi, di forma rotonda, tipici di questo periodo.
Anche se non sono stati rinvenuti i resti delle capanne, che certamente furono costruite all'interno della grotta, lo strato del Neolitico, i cui reperti sono stati datati a 5.000 anni da oggi, ha restituito materiali che testimoniano le attività agricolo-pastorali della comunità umana stabilmente stanziata nell'area. In particolare sono numerose le macine per i cereali e le fusaiole indicanti la pratica della tessitura. Sono poi state recuperate minuscole punte di freccia e numerose piccole lame (lunghe meno di 20 mm) in ossidiana sarda, proveniente dalle attività di scambio in un momento in cui la navigazione era ormai largamente praticata. Anche l'utilizzo di alcuni tipi di selce originari dell'Italia settentrionale, con i quali furono realizzati piccoli strumenti, mostra l'ampiezza dei rapporti commerciali con altri gruppi neolitici.
I contatti con la Sardegna sono testimoniati anche dalle forme e dalla decorazione di alcuni manufatti in ceramica, come la ciotolina di ceramica graffita con motivo a stella, tipico della cultura sarda di Ozieri. Invece, alcune piccole ciotole attestano le influenze culturali da parte dei gruppi neolitici dell'Italia meridionale, ovvero della cultura di Diana, evidenziata nelle isole Lipari e in molte altre aree del sud Italia.
L'insieme dei materiali ceramici permette quindi di attribuire la frequentazione della grotta ad un momento finale del Neolitico che fu caratterizzato da forme e decorazioni tipiche della Francia meridionale, Liguria e Lombardia (la cosiddetta cultura Chassey-Lagozza) e da forme tipiche dell'area meridionale (cultura di Diana).
Assai particolari e numerosi sono inoltre i punteruoli in osso levigato ricavati da femori di erbivori e i pendagli ottenuti con denti, forati alla radice, di piccoli carnivori.
Nella successiva Età del Rame, datata 4.900 anni da oggi, si ritrovano alcuni degli elementi che avevano caratterizzato il Neolitico, come l'industria litica in ossidiana (ma in minore quantità), l'uso della selce d'importazione e la fabbricazione di utensili in osso e in pietra levigata. Cambia soprattutto il modo di decorare i vasi in ceramica: si fa largo uso di motivi ornamentali ottenuti con impressioni, praticate prima della cottura del vaso, a "ditate", "unghiate", "bugne" (piccole protuberanze coniche) e "tacche" fatte con strumenti appuntiti.
Sia nel Neolitico che nell'Età del rame furono ampiamente usati gli ornamenti personali costituiti da conchiglie marine forate o lavorate a forma di pendaglio e da perle in steatite, scisto e marmo. Riferibili all'Età del Bronzo sono alcuni frammenti di grossi recipienti in ceramica con decorazione "a cordone" e a impressioni.
I pochi reperti di età etrusca, medievale e rinascimentale documentano un uso della grotta molto occasionale, forse per motivi di culto (nel periodo etrusco), e per sporadiche attività di pastorizia nei periodi più recenti.
(testi di Alessandra Berton, Marzia Bonato, Stefania Campetti, Laura Perrini)