غار خرمنه سر در فاصله ۱۱۰ كیلومتری شهر زنجان و ۲۲ كیلومتری شهر آب‌بر (مركز شهرستان طارم) و در كوه سر به فلك كشیده و بلند خرمنه سر در سمت شمالی روستای شاه‌نشین (یا به قول اهالی محل؛ شانیش) واقع گردیده است. این غار عظیم و باابهت در ارتفاع ۱۶۰۰ متری از سطح دریا قرار دارد و برای رسیدن به آن باید از بستر رودخانه‌ای كه از كوه‌های شمالی شانیش سرچشمه می‌گیرد و همچنین از میان درختان سرسبز و زیبای زیتون و انجیر گذشت و به سوی ارتفاعات شمالی پیش رفت. در نزدیكی قله كوه خرمنه سر دهانه مشبك و پنجره مانند و در عین حال نسبتاً وسیع غار خرمنه سر واقع شده است. این دهانه ارتباطی به غار اصلی ندارد و نباید با ورودیِ غار اصلی اشتباه گرفته شود. بعد از عبور از این دهانه شبكه مانند، سنگ‌های خارا و به دنبال آن سنگ‌های سفید آهكی كه به شكل ستون‌های بزرگ استالاكتیت و استالاگمیت درآمده‌اند دیده می‌شوند. بالای ورودیِ غار، حفره بزرگ و تنور مانندی به شكل اطاقی به نظر می‌رسد كه در میان حفره‌های كوچك احاطه شده است و بالا رفتن از میان سنگ‌ها و رسیدن به اطاق و انتهای آن نیازمند دقت و مهارت لازم است (درون این اطاق‌ها آثار زیستی شامل ظروف سفالی شكسته و پیه‌سوزهای قدیمی شكسته دیده می‌شود). در حفره‌های اطراف، خفاش‌ها و شب‌پره‌های بسیاری است كه در درون غار لانه دارند و با صدای پا به هر سو پرواز می‌كنند. با ادامه راهپیمایی در یك مسیر دالان مانند، یك فضای نسبتاً وسیع پدیدار می‌شود كه آن نیز به نوبه خود به بركه آب صاف و زلالی منتهی می‌گردد كه اطراف آن را سنگ‌های سفید و آهكی فراگرفته‌اند. در اینجا قسمت‌های مختلف و زوایای غار فرعی به پایان می‌رسد.
در فاصله ۵۰ متری این غار دهانه بزرگ حفره‌ای شبیه به دهانه چاه وجود دارد كه برای ورود به این حفره باید به حالت خزیده و درازكش حركت كرد. به محض ورود به داخل حفره، دنیایی پر از شگفتی پدیدار می‌گردد. پس از حفره، پرتگاه مهیبی ظاهر می‌شود كه فرود از آن مستلزم استفاده از ادوات فنی كوهنوردی است. ادامه راه طولانی و تونل مانند است. بار دیگر دهانه چاهی بزرگ دیده می‌شود كه انتهای آن مشخص نیست و پایین رفتن از آن به مهارت و شجاعت كافی نیاز دارد.
پیدا شدن ظروف شكسته سفالی حاكی از این مسئله است كه در گذشته‌های دور این غار محل زندگی و یا پناهگاه افرادی بوده است. بعد از خروج از چاه و حدود ۱۰۰ متر پیشروی، انتهای این شاخه از غار شناخته و كشف می‌شود. در مراجعت، دخمه‌ای دیده می‌شود كه برای گذشتن از این دخمه باید از طناب كوهنوری استفاده نموده و جوانب احتیاط را رعایت نمود. این راه اندك اندك سربالایی می‌شود و كف آن لغزنده است چنان كه اندكی بی‌احتیاطی احتمال خطر سقوط دارد. یك سالن بزرگ به ابعاد ۸۰×۸۰ متر و با سقفی بسیار بلند كه با نور پروژكتور قوی نیز انتهای آن معلوم نمی‌شود، قرار دارد. اطراف سالن از استالاكتیت و استالاگمیت پوشیده شده است. سالن با شیب ملایم و مرطوب به سطح پایین و زیرزمین ادامه می‌یابد و چنین به نظر می‌رسد كه غار به انتها رسیده در حالی كه چنین نیست و در مجاورت نقطه انتهایی، شعبه‌ای عمیق و طولانی ظاهر می‌شود. كف و سقف این دهلیز شباهت بسیاری به بنای بازارهای قدیمی دارد و در چند نقطه آن در فاصله‌های ۲۰ تا ۳۰ متری طاقچه‌های كوچكی با دست حفر شده است. در كف دهلیز چاه عمیق و تاریكی دهان باز كرده است كه با ادامه راه مسیری دیده می‌شود كه انتهای دهلیز است و در همان جا انتهای چاه عمیق و تاریك نیز دیده می‌شود. در حقیقت این چاه عمیق شاخه دیگری از شعبات غار بوده كه به انتهای دهلیز می‌رسد. رسیدن به این نقطه غار حداقل نیازمند ۶ ساعت تلاش و راهپیمایی است. با رسیدن به آخرین شاخه غار كه محوطه‌ای وسیع و مملو از سنگ‌های معلق و بزرگ می‌باشد، غار به پایان می‌رسد.
این غار از نظر مطالعات باستان‌شناسی و پدیده‌های تاریخی حائز اهمیت است. مطالعات سطحی، دو دوره استقرار كاملاً روشن و متمایز را عرضه می‌نماید. دوره نخستین شامل ابزار و ادوات سنگی و تیغه‌های سنگ چخماق متعلق به زندگی غارنشینی انسان پیش از تاریخ است كه تعیین قدمت آن با اطلاعات موجود و بدون مقایسه با آثار شناخته شده و انجام آزمایشات لازم، كاری بسیار دشوار خواهد بود ولی آنچه كه مسلم است قدمت استقرار دوره نخستین در این غار تاریخی، پیش از هزاره پنجم قبل از میلاد است. دوره دوم آثار زیستی مشخص و روشن است. آثار سفالی و ادوات زیستی موجود در اطاق‌ها و دهلیزها، متعلق به اوایل قرن چهارم هجری قمری است.
این منطقه برخلاف فلات مركزی ایران كه استقرارهای پیش از تاریخ تا دوران آغار ادبیات به صورت پیوسته قابل تعقیب و بررسی است، به لحاظ كوهستانی و صعب‌العبور بودن آن، یك ابهام ۱۰ هزار ساله را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر ادامه و ارتباط تمدن‌های مستقر در تپه حصار دامغان، تپه سیلك كاشان، تپه چشمه علی شهر ری، سایت تاریخی سگزآباد و تپه زاغه دشت قزوین كه اقوام ساكن و بومی در فلات ایران به حیات خود ادامه داده و پس از طی دوران نوسنگی به تمدن شایانی رسیده و با عنوان تمدن فلات ایران و یا تمدن سفال نخودی رنگ مشهور و معروف است، به طور عام و چشمگیر در منطقه وجود ندارد و با برسی‌هایی كه به عمل آمده تنها چند مورد در آن دیده می‌شود كه ادامه تمدن دشت قزوین از اوایل هزاره پنجم تا اواخر هزاره دوم قبل از میلاد را نشان می‌دهد. البته این تنها مورد در منطقه كوهستانی استان زنجان نیست بلكه در مناطق دیگری همچون مازندران، گیلان و كردستان نیز همین ویژگی وجود دارد و دلیل این مسئله به احتمال زیاد صعب‌العبور بودن مناطق ذكر شده است كه ارتباط اقوام مستقر در این نواحی را مشكل نموده و موجب ركود تمدن در استقرارهای انسانی در این نواحی گردیده است. به همین دلیل زمان عصر نوسنگی در این مناطق تداوم یافته و اقوام مستقر در این منطقه تا اواسط هزاره سوم قبل از میلاد، به روش شكاروَرزی ادامه حیات داده‌اند.
