C'est surtout par la fouille de grottes (Gourdan, Lortet, Arudy, le Mas d'Azil, Brassempouy) contenant des vestiges du Paléolitique supérieur - qu'on appelait alors «Age du Renne» - que Piette acquit la célébrité. Ses travaux lui livrèrent une collection d'œuvres d'art préhistoriques qu'on s'accorde à considérer comme la plus riche du monde. Cette collection a été donnée par lui au Musée des Antiquités Nationales de Saint-Germain-en-Laye.
Piette a publié de nombreux articles et notes, dont la confusion apparente résulte du fait qu'ils ont traduit, presque pas à pas, la progression de sa recherche et de sa réflexion. Le bilan de sa carrière de préhistorien s'est exprimé dans le grand album L'Art pendant l'Age du Renne qui ne fut publié, en 1907, que quelques mois après sa mort.
Piette a également résolu le problème du célèbre hiatus, héritier du Déluge antique, qui séparait l'Age de la Pierre taillée de celui de la Pierre polie ; il l'a fait en découvrant, dans la grotte du Mas d'Azil, une civilisation bien caractérisée qui a conservé le nom d'Azilien qu'il lui a donné.
Piette, dans plusieurs domaines de la connaissance, a ouvert le chemin de la Préhistoire du XXe siècle. Avant celles de ses héritiers scientifiques, Breuil, puis Leroi-Gourhan, la vision et la prospective de Piette nous apparaissent parfaitement caractéristiques de 1900 et montrent quels progrès ont été accomplis pendant le premier demi-siècle de vie de la science préhistorique.
