Ekain fue descubierta por dos miembros del grupo Antxieta, Andoni Albizuri y Rafael Rezábal, en el ámbito de trabajos de exploración espeleológica y arqueológica. De hecho, durante la primavera de 1969 Andoni y Rafael, con otros miembros del grupo Antxieta, se dedicaron a prospectar la zona del macizo calizo de Izarraitz. Uno de los días regresaron por el torrente de Goltzibar hacia Zestoa, donde les llamó poderosamente la atención el caserío de Sastarrain y sus alrededores; quedaron impresionados por su situación entre dos regatas, la abundancia de agua y las condiciones favorables que mostraba para la habitación prehistórica.
El 1 de junio los dos amigos se dirigieron al caserío citado y preguntaron a la señora de la casa si en las colinas que veían en frente y en las calizas laterales había cuevas. La señora contestó afirmativamente, indicándoles el lugar aproximado de las mismas. Regresaron el siguiente domingo 8 de junio con el material adecuado para examinar la pequeña cueva, de unos 13 metros de longitud y 2 de anchura. Mientras se disponían a hacer una cata a la izquierda de la entrada, Rafael se fijó en un pequeño agujero situado en la parte derecha de esa entrada, de donde observó que salía aire frío.
Observaron un pequeño hueco taponado con pedruscos, que fueron quitando, hasta que pudieron abrir el espacio suficiente para poder arrastrarse por él. Penetraron con mucha dificultad, y tras haber recorrido unos 20 metros pudieron ponerse en pie. Explorada la primera parte de la cueva y habiendo visto colorante en las paredes, Rezábal descubrió el panel de los caballos (Zaldei). La emoción que sintieron les impidió continuar prospectando la cueva. Así es que decidieron salir.
Aquella misma tarde comunicaron el hallazgo a José Miguel de Barandiarán, que venía dirigiendo excavaciones arqueológicas en el País Vasco desde 1916, y a Jesús Altuna, Director del Departamento de Prehistoria de la Sociedad de Ciencias Aranzadi.
La cueva no tenía nombre y se le aplicó el topónimo de la colina en la que estaba situada: Ekain. A las tres semanas ambos investigadores iniciaban el primer estudio del santuario, estudio que se publicó a finales de 1969. Al mismo tiempo llevaron a cabo en el vestíbulo de la cueva la calicata. Esta calicata dio resultado positivo, mostrando la existencia de un yacimiento prehistórico, que fue excavado entre 1969 y 1975 a lo largo de 6 campañas de excavaciones.