As grutas do vale do Carvalhal de Aljubarrota registam presença humana desde o Neolítico antigo (5.º milénio a.C.). Os materiais associados a esta cronologia não permitem determinar se o uso foi habitacional, funerário ou misto. A presença de cerâmicas nas grutas situadas a maior altitude sugere que, nessa época, o nível de água no vale seria demasiado elevado para permitir a ocupação das grutas mais baixas. A introdução e consumo de cereais, bem como o aproveitamento de produtos secundários dos animais domésticos, como o leite e a produção de queijo, proporcionaram uma dieta mais equilibrada e uma maior resiliência populacional. No Neolítico médio observa-se um aumento das inumações em gruta, fenómeno conhecido como “colectivização da morte”. A gruta da Pena da Velha forneceu uma datação de cerca de 3990 a.C., indicando o início da utilização funerária das grutas do vale neste período, que atinge o seu auge no Neolítico final (3100–2900 a.C.). Diversas grutas, como Lagoa do Cão, Calatras Alta, Ministra Alta e Mosqueiros Baixa, foram usadas num curto intervalo de tempo (3100–3000 a.C.), revelando intensa deposição de restos humanos e uma forte presença populacional na região. Estudos isotópicos e arqueológicos apontam para uma comunidade local mas também proveniente de outras áreas da Estremadura, reforçando a importância funerária do vale.
Durante o Calcolítico (2800–2200 a.C.), período de introdução do uso do cobre, verifica-se uma drástica diminuição da utilização das grutas, fenómeno comum noutros contextos cársicos do Maciço Calcário Estremenho, cuja causa permanece por esclarecer. O vale continuou, contudo, a ser pontualmente frequentado na Idade do Bronze (2200–1000 a.C.). Já em época Romana, observam-se indícios de oferendas votivas, como colares e anéis de âmbar, moedas e pequenas estatuetas de divindades, testemunhando a persistência simbólica e ritual do local ao longo dos milénios.