Penemuan Goa Gajah berawal dari laporan pejabat Hindia Belanda, LC. Heyting pada tahun 1923 yang menemukan arca Ganesha, Trilingga serta arca Hariti kepada pemerintah Hindia Belanda. Hal tersebut di tindak lanjuti oleh Dr. WF. Stuterhiem untuk mengadakan penelitian lanjut pada tahun 1925. Pada tahun 1950 Dinas Purbakala RI melalui seksi-seksi bangunan purbakala di Bali yang dipimpin oleh J.L Krijgman melakukan penelitian dan penggalian pada tahun 1954 sampai tahun 1979 dan ditemukanlah tempat petirtaan kuno dengan 6 buah patung wanita dengan pancuran air di dada dan sampai sekarang keberadaanya bisa dipercaya bisa memberikan vibrasi penyucian aura bagi pengunjung.
Pada tahun 1931 Mr. Conrat Spies menemukan pula peningalan yang cukup penting di komplek "tukad pangkung" berupa stupa bercabang tiga yang terpahat pada dinding batu yang telah runtuh tergeletak didasar tukad pangkung.
Tempat Petirtaan
Kompleks Goa Gajah terdiri atas 2 bagian utama, yaitu kompleks bagian utara merupakan warisan ajaran Siwa, dengan bukti adanya Trilingga dan patung Ganesha di dalam goa, merupakan tempat umat Hindu melakukan persembahyangan. Komplek sebebelah selatan Goa Gajah yakni area Tukad Pangkung, berupa stupa Buddha dalam sikap Dhyani Buddha Amitabha bersusun 13 stupa dan stupa bercabang 3 yang dipahat dibatu besar.
Di bagian depan terdapat arca Hariti, arca Ganesha, arca [[Raksasa. Patung Ratu Brayut atau Hariti (bahasa Avesta Harauhuti) dipercaya sebagai tokoh yang berkarakter jahat namun setelah belajar agama Buddha ia berubah menjadi penyayang anak, sebagaimana yang terlihat dalam patung tersebut. Selain itu terdapat arca Pancuran dalam sebuah kolam permandian sakral yang karena zaman tertimbun tanah. Saat J.L Krijgman menjabat kepala kantor Purbakala di Bali, maka tahun 1954 permandian itu digali.
Di kolam pemandian atau pentirtaan terdapat arca Widyadara dan Widyadhari. Arca Widyadhari pancuran ini terdapat enam buah. Tiga berjejer di bagian utara dan tiga di bagian selatan. Arca bidadari ini diletakkan di atas lapik teratai atau padma. Padma adalah simbol alam semesta stana Hyang Widhi. Sedangkan arca Widyadara berada di tengah keenam Widyadhari. Hal ini berdasarkan konsep Sapta Nadi yaitu tujuh sungai suci Gangga, Sindhu, Saraswati, Yamuna, Godawari, Serayu dan Narmada.
Goa ini dipahatkan pada batu padas keras yang menjorok keluar sejauh 5,75 meter dari dinding batu tersebut, berukuran tinggi 6,75 meter dan lebar 8,6 meter. Permukaan goa berhiaskan motif daun daunan, batu karang, raksaasa, kera, dan babi. Ditengah tengah relief tersebut terdapat relief mulut goa dengan ukuran lebar 1 meter dan tinggi 2 meter. Di ambang mulut goa terdapat pahatan muka raksasa yang menyeramkan dengan mata bulat besar melirik kearah kanan, rambut dan alis tampak kasar, hidung besar, bibir atas dengan sederetan gigi tepat berada di atas lubang goa. Pada dinding timur goa terdapat dua baris tulisan berbunyi 'Kumon' dan baris bawah 'Sahy(w)angsa' menilik bentuk hurufnya berasal dari abad ke-11.
Setelah memasuki goa terdapat lowongan bercabang dua, satu ke timur dan satu ke barat sehingga denah menyerupai huruf 't'. Lorong yang membentang dari timur-barat itu berukuran panjang 13.5 meter, lebar 2.75 meter dan tinggi 2 meter. Pada dinding utara dari lorong yang melintang kearah barat terdapat 7 buah ceruk, salah satu dari 7 buah ceruk itu berhadapan dengan jalan masuk goa dan merupakan ceruk yang terbesar dengan ukuran tinggi 1,26 meter, kedalaman 1,35 meter, terletak 0.7 meter dari permukaan tanah. Di dalamnya terdapat fragmen arca raksasa dan fragmen arca siwa. Pada kedua ujung lorong yang melintang ke arah timur-barat juga terdapat ceruk. Ceruk di ujung timur terdapat trilingga dan ceruk di ujung barat terdapat arca Ganesha.
Sejak tahun 1950 setelah Badan Purbakala Republik Indonesia membuka kantor seksi bangungan cabang Bali yang berkedudukan di Gianyar di bawah pimpinan J. C. Krijgsman, penelitian terhadap peninggalan purbakala di Goa Gajah mendapat perhatian secara Khusus. Hal ini dibuktikan pada tahun 1951/1952 dengan diadakan penggalian di pelataran depan mulut goa. Dari penggalian itu ditemukan pondasi kuna berbentuk persegi panjang, di mana dinidng muka goa sebagai salah satu sisi panjangnya. Pada tahun itu ditemukan pula retakan pada langit-langit goa sebagai akibat dari akar-akar pohon kamboja yang tumbuh di atas tebing sebelah kanan mulut goa. Sewaktu dilakukan pembersihan tanah dan akar dibagian barat goa ditemukan dua buah pecahan batu, pecahan pertama merupakan bagian atas kepala raksasa di atas lubang goa, pecahan kedua merupakan bagian berukir dari tembok sebelah timur. Disamping itu ditemukan pula sebuah pedang dari batu padas yang merupakan bagian dari arca raksasa di depan goa.
Bangunan di area Goa Gajah
Dari data yang ada di lapangan dapat dikemukakan situs Goa Gajah merupakan tempat suci sebagai pusat kegiatan agama Hindu dan Buddha pada masa pemerintahan Dinasti Warnadewa dari abad X-XIV masehi (400 tahun). Status situs Goa Gajah sekarang merupakan living monument berfungsi sebagai tempat kegiatan keagamaan (Pura) dan masyarakat menyebutnya sebagai Pura Goa.
Berdasarkan atas temuan data arkeologi yang ada di situs Goa Gajah dapat dikemukakan beberapa hal sebagai berikut: - Dari beberapa prasasti yang telah dikemukakan di Bali tidak satupun yang menyebutkan secara langsung nama Goa Gajah, namun Prasasti Songan Tambahan yang dikeluarkan oleh Raja Marakata berangka tahun 1022 masehi dan Prasasti Cempaga yang dikeluarkan oleh Raja Sri Mahaguru berangka tahun 1324 masehi keduanya menyebutkan nama Er Gajah. Kemudian Prasasti Dawan tahun 1053 masehi dan Prasasti Pandak Badung tahun 1071 masehi menyebutkan tempat suci Antakunjarapadda (Kunjara = gajah). Sedangkan dalam kitab Negarakertagama tahun 1365 masehi tercantum nama Badahulu dan Lwa Gajah yaitu dua tempat di Bali yang termasuk dalam daftar daerah yang dikuasai oleh Kerajaan Majapahit.
