Η σπηλιά αρχικά δεν είχε κάποια δίοδο προς τον εξωτερικό χώρο του βουνού. Το εσωτερικό της σπηλιάς ανακαλύφθηκε από τους αρχαίους Έλληνες όταν λάξευσαν το βουνό για την παραγωγή του πεντελικού μαρμάρου.
Στην αρχαιότητα υπήρξε ιερό του Πανός, ενώ κατά τους βυζαντινούς χρόνους αποτέλεσε ησυχαστήριο μοναχών που είχαν εγκατασταθεί σχεδόν σε όλη την Πεντέλη, των λεγομένων “Αμώμων” απ’ όπου και έλαβε το όνομά του.
Στους νεότερους χρόνους κατά την παράδοση φέρεται να αποτελούσε κρησφύγετο του λήσταρχου Νταβέλη απ’ όπου και το επικρατέστερο όνομα του σπηλαίου, αν και ποτέ δεν αποδείχθηκε κάτι τέτοιο.
Στη σημερινή είσοδο της σπηλιάς, βρίσκονται δύο ναοί. Το νότιο εκκλησάκι, αφιερωμένο στον Άγιο Σπυρίδωνα, είναι λαξευμένο κυριολεκτικά μέσα στο βράχο, ενώ στην αριστερή και εξωτερική πλευρά, το βόρειο παρεκκλήσιο τιμάται στο όνομα του Αγίου Νικολάου.
Το σπήλαιο αυτό εξερευνήθηκε πλήρως από το ζεύγος των Ελλήνων σπηλαιολόγων Ιωάννη και Άννας Πετρόχειλου.
Η είσοδός του είναι αρκετά μεγαλοπρεπής. Μετά την είσοδο ακολουθεί ένας πελώριος θάλαμος κατηφορικός μήκους 112 μέτρων και μέγιστου πλάτους 40 μέτρων.
Στο μέσον του θαλάμου αυτού υπήρχε κατακόρυφο βάραθρο 15 μέτρων το οποίο τώρα έχει σφραγιστεί.
Επίσης στο χαμηλότερο σημείο του θαλάμου, προς το τέλος του, υφίστατο και ένα άλλο βάραθρο με ελικοειδές επικίνδυνο πέρασμα, βάθους περίπου 10 μέτρων.
Τέλος, κάπου στο αριστερό τοίχωμα της σπηλιάς, υπάρχει πέρασμα που οδηγεί σε μια μικρή εδαφική κοιλότητα με νερό, τη “λίμνη των νυμφών”.
Η σπηλιά και ο χώρος γύρω από αυτή υπέστησαν, κατά τις δεκαετίες 1970 και 1980, μεγάλες παρεμβάσεις λόγω έργων που εκτελούσε τότε το Υπουργείο Άμυνας οι οποίες αλλοίωσαν τόσο το εσωτερικό της όσο και τον περιβάλλοντα χώρο, προκαλώντας ρηγματώσεις στα παρεκκλήσια του Αγίου Σπυρίδωνα και Αγίου Νικολάου.
Στη σημερινή είσοδο της σπηλιάς, βρίσκονται δύο ναΰδρια.
Το νότιο εκκλησάκι, αφιερωμένο στον Άγιο Σπυρίδωνα, είναι λαξευμένο κυριολεκτικά μέσα στο βράχο, ενώ στην αριστερή και εξωτερική πλευρά, το βόρειο παρεκκλήσιο τιμάται στο όνομα του Αγίου Νικολάου.
Το εκκλησάκι του Αγ. Σπυρίδωνα είναι το παλαιότερο από τα δύο, χρονολογούμενο στο 10ο ή 11ο αι. μ.Χ. και φέρει στη νότια πλευρά του χαράγματα με μορφές αγγέλων, σταυρών και αετών.
Το εκκλησάκι του Αγ. Νικολάου είναι κάπως μεταγενέστερο.
Η ύπαρξη δύο μικρών κρυπτών στο δάπεδό του και μιας ταφικής λάρνακας υποδηλώνουν πως το ναΐδριο αυτό είχε ταφικό χαρακτήρα.
Γενικά, σπαράγματα τοιχογραφιών βρίσκονται και στα δύο εκκλησάκια και, σύμφωνα με επιγραφή στον τρούλο του Αγ. Νικολάου, χρονολογούνται στο 1234 ή 1235 μ.Χ.
Η πολύ γνωστή τοιχογραφία με ανδρική μορφή και επιγραφή, Ο ΑΘΗΝΩΝ ΜΙΧΑΗΛ, η οποία θεωρείται ότι αποδίδει τον μητροπολίτη Αθηνών Μιχαήλ Χωνιάτη βρισκόταν στον Αγ. Σπυρίδωνα.
Σήμερα έχει αποτειχιστεί και μεταφερθεί στο Βυζαντινό και Χριστιανικό Μουσείο Αθηνών, όπως και ο τρούλος του Αγ. Νικολάου όπου απεικονίζεται ο Χριστός Παντοκράτορας καθώς και η τοιχογραφία της Αγίας Αικατερίνης, ντυμένης με βασιλική στολή, η οποία έχει αποτειχιστεί επίσης από τον Αγ. Νικόλαο.
Και λίγα λόγια για την σήραγγα του ΝΑΤΟ
Λίγο πριν το τέλος της ανηφόρας του χωματόδρομου που οδηγεί στη σπηλιά, ο δρόμος τέμνει κάθετα ένα χαραδροειδές αρχαίο λατομείο. Το λατομείο αυτό είχε επαναλειτουργήσει επί αρκετά χρόνια από το 1836 και μετά, το δε τελικό τμήμα του χωματόδρομου που το τέμνει και οδηγεί στη σπηλιά είχε διανοιχτεί για τους σκοπούς των έργων του 1977, και δεν υπήρχε πριν από αυτά.
Γύρο από την σπηλιά διανοίχτηκαν τρις σήραγγες. Οι δυο μπαζώθηκαν. Η τρίτη είναι αυτή που βλέπουμε αν προχωρήσουμε τον χωματόδρομο στα δεξιά της σπηλιάς.