Κατά την πρώτη εξερεύνηση της σπηλιάς το 1951, βρέθηκε μία αρχαία λάμπα, η οποία τώρα εκτίθεται στο Αρχαιολογικό Μουσείο Αργοστολίου. Οι ανασκαφές του 1962 διεξήχθησαν από τον Σ. Μαρίνο και ανέδειξαν λίγα αλλά σημαντικά ευρήματα ενός πρώιμου Μινωικού πολιτισμού στην Κεφαλονιά. Ο θεός Πάνας και πολλές νύμφες απεικονίζονται πάνω σε λάμπες λαδιού, πλάκες και μορφές. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το σπήλαιο ονομάζεται και Σπηλιά των Νυμφών. Η λίμνη πήρε το όνομά της από τη νύμφη Μελισσάνθη.
Η λίμνη Μελισσάνη έχει την ιδιαίτερη ικανότητα να παραμένει απόλυτα αόρατη, κάτι που ακούγεται πολύ παράξενο. Το νερό της λίμνης είναι υφάλμυρο, ένα μείγμα θαλασσινού νερού και γλυκού νερού. Το σπήλαιο απέχει περίπου 500 μέτρα από τη θάλασσα, ενώ η στάθμη του νερού είναι ένα μέτρο υψηλότερο από το επίπεδο της θάλασσας και το υφάλμυρο νερό αναδύεται από ένα βαθύ σύστημα σπηλιών 30 μέτρων από την μία πλευρά της σπηλιάς και ρέει σιωπηλά στο άλλο άκρο του σπηλαίου, εκβάλλοντας στη θάλασσα μέσω στενών ρωγμών. Εδώ το νερό από τις Καταβόθρες, που βρίσκονται στην άλλη πλευρά του νησιού, επανεμφανίζεται. Το φαινόμενο αυτό ανακαλύφθηκε το 1959 μέσω πειραμάτων χρωστικής ανίχνευσης.
Το σπήλαιο, που κάποτε αποτελούνταν από δύο μεγάλες αίθουσες, υποχώρησε μερικές χιλιάδες χρόνια πριν. Σήμερα το σπήλαιο έχει το σχήμα ενός Β, με δύο μεγάλες αίθουσες γεμάτες νερό και ένα νησί στη μέση. Η πρώτη αίθουσα έχει ένα μεγάλο οβάλ άνοιγμα στην οροφή, όπου το φως του ήλιου ακτινοβολεί μέσα στη λίμνη. Όταν ο ήλιος βρίσκεται ακριβώς από πάνω, η ακτίνες του διαπερνούν το νερό φωτίζοντας τη σπηλιά με μπλε φως. Έτσι η καλύτερη ώρα για να επισκεφτεί κανείς τη σπηλιά είναι κατά τη διάρκεια του μεσημεριού, σε μία ηλιόλουστη μέρα. Παρ’ όλα αυτά, μια επίσκεψη το πρωί ή το βράδυ έχει τη δική της ατμόσφαιρα. Οι βάρκες φαίνονται να αιωρούνται με μια λίμνη μπλε φωτός.
