Cette grotte faisait partie initialement d'un endokarst situé sous le fond de la vallée de la Moselle; cet endokarst a été recoupé lorsque la rivière s'est encaissée. Avant sa capture par la Meurthe, la Moselle a participé à la création et à l'élargissement de l'ensemble des grottes puis à leur comblement avec ses alluvions.
La grotte sert de sépulture collective vers le IIe millénaire avant notre ère, au Chalcolithique-bronze ancien et au bronze final. Plus tard, pendant la Tène (Second âge du fer), elle est utilisée comme refuge par l'un des peuples gaulois qui habite la région, les Leuques (IIIe-Iersiècleav. J.-C.), occupations attestées par divers objets trouvés dans la cavité (silex taillés, poinçons d'os, pointes de flèches, fragments de poteries et de fibules, monnaies gauloises,etc.). Le nom même de Toul dérive de l'expression leuque Tulo Loucoru qui devint Tullum Leucorum avec l'arrivée des Romains en 52 av. J.-C., puis Tull et enfin Toul.
En 1964, la découverte d'un petit vase par le Cercle d'études locales du toulois (CELT) est à l'origine d'une reprise de fouilles méthodiques par Michel Hachet puis Roger Marguet. Ce n'est qu'à l'été 1968 que les fouilles atteignent des parties «intactes» c'est-à-dire non fouillées précédemment[3]. Elles perdurent jusqu'en 1975 où le CELT découvre quelques nouvelles pièces (armature de flèches et scie à encoches)[4].
(1933) - «La vallée de la Moselle aux environs de Pierre-la-Treiche; le Trou des Celtes», Rev. Sect. Vosg. CAF (52eannée), nouvelle série, no4, p.29-34
(1932) - «Les Vestiges du temps passé», L'avenir toulois 17eannée no771 (2 janvier), journal hebdomadaire, Impr. moderne, Toul, p.1
(1932) - «Le plateau de la Treiche et le Trou des Celtes», 1re partie, L'avenir toulois 17eannée no773 (16 janvier) p.1 & 2e partie no774 (23 janvier) p.1, journal hebdomadaire, Impr. moderne, Toul
(1863) - «Cavernes à ossements - Trous de Sainte-Reine», Notes pour servir aux recherches relatives à l'époque de l'apparition de l'Homme sur la Terre et importance d'un air abondant et pur, Impr. A. Bastien, Toul, p.17
(1864) - Origine de l'espèce humaine dans les environs de Toul par rapport au diluvium alpin, impr. P. Toussaint, Pont-à-Mousson, 68 p.
(1865) - «Trou des Celtes», Journal de la Société d'archéologie lorraine et du Comité du Musée lorrain 14eannée no1, Société d'archéologie lorraine, Nancy, p.10-19, 147
(1865) - Alluvions des environs de Toul par rapport à l'antiquité de l'espèce humaine, Impr. A. Bastien, Toul, 16 p.
(1865) - Ancienneté de l'Homme dans les environs de Toul, Impr. A. Bastien, Toul, 8 p.
(1866) - Origine de l'espèce humaine dans les environs de Toul et figurines des temps primitifs, Impr. A. Bastien, Toul, 16 p.
(1867) - Origine de l'espèce humaine dans les environs de Toul - Analyse chimique et examen comparatif des épaves touloises avec celles du musée impérial de Saint-Germain et de l'Exposition universelle, Impr. A. Bastien, Toul, 30 p.
Massy, J.-L., Guillaume, Chr. & Boura, F. (1985) «Lorraine», Gallia préhistoire vol. 28 fascicule 2, C.N.R.S., Paris, p.307
Paturaud, C. (1966) - «Trou des Celtes», Travaux et recherches spéléologiques tome III - "Contribution à l'avancement du catalogue des cavités de Meurthe-et-Moselle", USAN et A.S.H.M., Nancy, vol. 1 p.96-97 + planche 26M et 26N dans vol. 2
(fr)Jules Beaupré, «Note sur une sépulture de l'époque néolithique découverte en 1900 dans la grotte du Géant», Bulletin de la Société d'archéologie lorraine et du Musée historique lorraine, Nancy, Société d'archéologie lorraine, 2e série, vol.50, t.I, , p.8-11 (lire en ligne)