עתלית-ים שוכנת במרחק של 400-200 מטרים מהחוף, בעומק מים של 12-8 מטרים, ומשתרעת על שטח של כ-40,000 מ"ר. תאריכי פחמן-14 הניבו טווח של 7550-8180 שנה לפסה"נ (לא מכויל). הממצא הארכיטקטוני כולל בארות מים בנויות, יסודות של מבנים מלבניים, קירות ארוכים שאינם מצטרפים לתוכנית אחידה, מתקנים עגולים, מתקנים פולחניים ואזורים מרוצפים באבנים. בנוסף, נתגלו 65 שלדי אדם בקבורות ראשיות ומשניות. בארבעה שלדים, לפחות, ממין זכר, נמצאה פתולוגיה באוזן הפנימית (auditory exostosis) המשמשת עדות לצלילה במים קרים.

שרידי בעלי חיים כללו עצמות של בעלי חיים פראיים ומתורבתים, ובהם עזים וכבשים מבויתים, חזירים, כלבים ובקר על סף ביות. בנוסף נתגלו עצמות רבות של דגים, רובם שייכים לדג הנצרן (Balistes carolinensis), ואחדים למיניםSerranidae, Sparidae, Scianidae, Mugillidae  ומשפחות דגים אחרות. נתגלו כלי אבן, עצם וצור, וכן כמות רבה של שרידים בוטניים, כגון זרעים מבויתים של חיטה, שעורה, עדשים ופשתן. ניתן לשייך חלק מהשרידים הבוטניים והחפצים לפעילות דייג.

הממצא הארכיאולוגי מראה שכלכלת היישוב היתה מורכבת והתבססה על שימוש משולב של משאבי יבשה וים, לרבות ביות צמחים, מקנה וגידול בעלי חיים, ציד, לקט ודיג. היישוב עתלית-ים מספק את העדות הקדומה ביותר, הידועה היום בחופי הלבאנט הדרומיים, לשיטת המחייה המשולבת (ניצול משאבי יבשה וים).

המתקן מורכב משבע אבנים מגליתיות (אורך 2.1-1.0 מ') - שש מהן ניצבות במעגל (קוטר כ- 2.5 מ') שפתחו לכיוון צפון-מערב. בסיסי המגליתים מכוסים בטרוורטין, עדות לכך שבעבר היו במקום מים מתוקים. על קרקעית הים, בקרבת האבנים ממערב, נמצאו פזורים מספר לוחות אבן אופקיים (אורך 1.2-0.7 מ') - בחלקם נחצבו ספלולים. ייתכן כי האבנים והלוחות היו חלק ממתקן פולחני, שהיה לו קשר למעיין של מים מתוקים שאולי היה באזור. מתקן פולחני נוסף שנתגלה ביישוב, מורכב משלוש אבנים מגליתיות, סגלגלות (אורך 1.8-1.6 מ') - לשתיים מהן חריץ (היוצר צוואר) שמעניק לאבן צורה אנתרופומורפית.

הבאר נחצבה עד לתחתיתה (5.5 מ' מתחת לפני הים, 15.5 מ' מתחת לפני הים); מילוי הסדימנטים של הבאר הכיל עצמות בעלי חיים, חפצים מאבן, מצור, מעץ ומעצם, וכן פחם ושרידים בוטניים ספוגים מים. הממצאים מלמדים שבשלב הסופי של הבאר היא חדלה לתפקד כבאר מים והוסבה לבור אשפה. השינוי בתפקוד הבאר היה קשור כנראה לעלייה ברמת המליחות של המים כתוצאה מעליית מפלס הים. הבאר בעתלית-ים נחפרה ככל הנראה בשלבים המוקדמים של ההתיישבות באתר (שלהי האלף הט' לפסה"נ) והיתה חיונית לאחזקה השוטפת של יישוב קבע באזור.