四年后的一天，桑图奥拉带着5岁的女儿玛丽亚(Maria)来到洞中。不久，身材矮小的玛丽亚抬头，突然发现洞顶上面的岩画——一头公牛。于是，隐藏了13000年的阿尔塔米拉洞壁画被现代人发现，这也是第一个发现的绘有史前人类壁画的洞穴。
发现阿尔塔米拉洞壁画后，桑图奥拉特地到马德里大学和有关教授一起研究，并于1880年发表了他们认为是史前艺术的结论。也许壁画的精湛技艺，超出了当时人们对史前艺术的接受范围，法国一些权威学者坚决否认壁画的真实性，考古学家埃米尔·卡尔达伊拉（Émile Cartailhac）在学术会议上坚持怀疑洞穴壁画的真实性。有的人更是大肆嘲笑业余考古爱好者桑图奥拉的成果，还有些人甚至认为这些壁画是侯爵伪造的。重视名声的桑图奥拉无法和学术权威们争辩，于1888年郁闷辞世。
随着后来陆续又有洞穴壁画被发现，学术界重新审视阿尔塔米拉洞壁画。1902年，发现壁画的玛丽亚接待了当年提出质疑的卡尔达伊拉，此时，他担任法兰西史前历史学会会长。在现场考察了壁画，并再次阅读桑图奥拉侯爵的笔记和论文后，卡尔达伊拉郑重向侯爵道歉：他在1902年出版的《人类学》（L'Anthropologie）杂志上，发表的著名文章“持怀疑态度的过失”（Mea culpa d'un sceptique），承认自己的错误，从此恢复了桑图奥拉侯爵的名声。
