Hace unos 7.000 años, durante el Neolítico, se produjo la ocupación de diversas cuevas en la zona de Priego, según las evidencias arqueológicas; y de nuevo la cueva de los Mármoles, con una topografía relativamente fácil para su habitabilidad, vuelve a ser el referente como yacimiento en cueva para esta época. Durante esta etapa, sus moradores la acondicionaron para su mayor comodidad. En concreto, en la zona de entrada, nivelaron un espacio del suelo con una capa muy gruesa de arcilla que cubrieron con algún tipo de cubierta sostenida por postes. Otro factor importantísimo que define el Neolítico es la aparición de la cerámica. Dentro de la cueva, la más abundante es la cerámica recubierta de almagra, pero también existen otros fragmentos con técnicas decorativas diferentes. La industria lítica sigue realizándose con profusión, y se utilizan diversos materiales para la elaboración de los más diversos artefactos, útiles y de adornos.

La cueva de los Mármoles sirvió, asimismo, como lugar de enterramiento. En una zona bastante alejada de la entrada aparecieron tres cráneos humanos bajo una capa estalagmítica. Los cráneos pertenecían a un niño de unos seis años, una mujer adulta y un varón adulto. Este último, presentaba en el parietal izquierdo una trepanación que se le practicó en vida y que, a pesar de lo traumático, siguió viviendo. Después de muerto se le arrancó la piel del cráneo, como así lo indican las señales de descarnamiento, recortándose después convirtiéndose en un cráneo-copa. Estas actividades de ritual funerario se documentan con relativa frecuencia en otros lugares, asociándose por algunos investigadores a la práctica de la antropofagia.