Большая Кыркылинская пещера находится между селами Пролетарка и Большая Кыркыла, близ вершины безымянной горы, возвышающейся на левом берегу реки Сараса, выше впадения в нее левого притока – ручья Черепановского, в 0,5 км на юго-запад от его устья.

Превышение входа над Сарасой составляет 180 м. К пещере можно подняться, идя по натоптанной тропе, ведущей на перемычку между вершинами и, возможно, на саму вершину горы, с которой открывается замечательный вид на долину реки Сарасы. Однако для того, чтобы попасть в пещеру, следует не доходя до перемычки свернуть влево к виднеющимся среди деревьев скалам. Вход пещеры имеет треугольную форму, обращен на север, ширина его 7 м, высота – 4 м.

Сама пещера представляет собой галерею длиной 90 м, простирающуюся в общем юго-восточном направлении. Ее конфигурация зависит от наклона стен и уровня рыхлых и обвальных отложений. Пещеру можно условно разделить на 3 части. Первые 20 м от входа характеризуются достаточно круто свисающими стенами, стрельчато-сводчатым профилем потолка, освещенностью дневным светом. У входа пол сложен черной гумусированной почвой, частично поросшей травой и покрытой лишайниками и мхом, а через 5 м на поверхность выступает бурый комковатый суглинок, насыщенный обломками известняка (потолок от входа постепенно понижается). Следующие 40 м галерея несколько расширяется, а левая (по ходу) стена практически отсутствует, так как на всем протяжении полого нависающий потолок постепенно погружается под уровень рыхлых отложений пола. В конце этого участка пол сложен светло-коричневым паттумом, почти без обломочного материала. На последнем участке (30 м) стены приобретают вертикальный характер, высота потолка резко повышается, пол сложен глыбовым навалом.

Первое литературное упоминание о пещере появилось в 1966 году в статье А. М. Маринина, в 1969 г. пещеру исследовали работники 2-го карстового отряда ЗСГУ Р. А и Ж. Л. Цыкины и К. П. Черняева, а в 1973 году группа спелеологов ТГУ под руководством Л. Н. Попова. В пещере несколько раз производилась шурфовка. В 1977 году разведку в пещере произвел Н. Д. Оводов, обнаруживший при шурфирофании в средней части пещеры остатки 14 видов млекопитающих, относящихся, в основном, к позднему плейстоцену, в числе которых были кости лисы, барсука, пещерной гиены, медведя, дикой лошади, шерстистого носорога, косули, благородного оленя, кабарги, лося, бизона, зайца, цокора. Вторично посетив пещеру в 1982 году, он собрал с поверхности пола пещеры кости носорога, яка, бизона, рыси и росомахи. Факт нахождения плейстоценовых костных остатков на современной поверхности пола пещеры довольно любопытен и нуждается в объяснении. По мнению Н. Д. Оводова, накопление костей в пещере шло за счет деятельности четвероногих хищников. Тем не менее, не исключено, что пещера использовалась и древним человеком. В нескольких местах на стенах пещеры, в том числе у самого пола (который несколько тысячелетий назад был ниже на 1-1.5 метра), можно увидеть непонятные знаки в виде чередующихся вертикальных и горизонтальных линий, похожих на неизвестные письмена, возможно оставленные древними жителями пещеры. Однако, быть может, подобные «иероглифы» образовались естественным путем под действием стекающих капелек воды.