Khu di tích Thần Sa nằm gọn trong địa phận xã Thần Sa, huyện Võ Nhai, cách thành phố Thái Nguyên khoảng 25 km theo đường chim bay về phía bắc. Những dãy núi đá vôi dày đặc thuộc phần cuối của sơn hệ Bắc Sơn và những dải thung lũng hẹp dọc theo đôi bờ sông Thần Sa là nét đặc trưng của địa hình Thần Sa. Chính trong các hang động ở Thần Sa, vào những năm 70 - 80 của thế kỉ XX các nhà khảo cổ học Việt Nam đã phát hiện được một loạt các di chỉ khảo cổ có niên đại từ trung kì đá cũ đến sơ kì thời đại đồ đá mới (30.000 năm đến 10.000 năm cách ngày nay) như: Phiêng Tung, Ngườm, Nà Ngùn, Thắm Choong, Hạ Sơn1, Hạ Sơn 2…