На втором этапе заселения структура поселения, оставаясь по планировке прежней, сместилась. Очаги были расположены в том же направлении на расстоянии 1–1,5 м от линии первого этапа, но стали крупнее и глубже (1 м в диаметре, до 50 см в глубину). Жилища располагались вокруг этой линии и представляли собой вытянутые полуземлянки длиной до 5 м, шириной и глубиной до 1 м. Сверху они, видимо, были перекрыты бивнями мамонта и покрыты шкурами. Возле землянок были выкопаны ямы-хранилища диаметром 50 см и глубиной до 1,5 м. Ямы-хранилища, как правило, накрывались лопатками мамонта с проделанным в них круглым отверстием. Подобная структура поселения встречается в Костенках‑1 и на стоянке Авдеево (40 км от Курска), где было обнаружено по два соседствующих жилищно-хозяйственных комплекса.
В 2005 году в яме-хранилище второго этапа была обнаружена классическая статуэтка «Венеры» из бивня мамонта, а в соседней яме еще одна статуэтка малых размеров. Зарайская «Венера» не отличается пышными формами, что сближает ее с «худыми» авдеевскими статуэтками, при этом она имеет одно существенное отличие – ее ножки не сведены вместе, а вырезаны раздельно, выделены даже ступни. Такой стиль в литературе принято называть авдеевским. Это может свидетельствовать об определенном культурном своеобразии Зарайской стоянки, объединяющей в себе особенности и Костенок, и Авдеева.
Третий этап заселения стоянки характеризуется небольшим числом ям, менее крупными и глубокими очагами (до 20 см в глубину) и появлением (предположительно) наземных жилищных конструкций. Соответствующий культурный слой насыщен крупными костями мамонта, в большинстве своем имеющими четкие концентрации, вероятно, связанные с остатками жилых построек. Основным строительным материалом служили черепа, нижние челюсти и бивни мамонтов.
Последний, четвертый, этап заселения стоянки приходится на эпоху некоторого потепления климата. Он связан с верхней погребенной почвой, в которой залегают находки. В ней хуже сохранялась органика, и кости мамонта здесь встречаются в основном в виде трухи. Четких данных о плане поселения и жилищах этого этапа пока не удалось собрать в достаточном количестве, хотя А. В. Трусовым было обнаружено несколько очагов‑«зольников» и один объект, интерпретируемый как жилище. Тем не менее из этого горизонта происходит богатый кремневый материал.
На стоянке обнаружено большое количество костей мамонта. Маловероятно, что все они являются результатом охотничьей добычи. Множество костей сжигалось в очагах (в приледниковой тундре в то время нельзя было найти древесины в достаточном количестве), и относительно небольшое племя (несколько десятков человек) не могло добыть столько мамонтов. Исследователи полагают, что неподалеку от стоянки находилось так называемое «кладбище» мамонтов, погибших или утонувших в реке Осетр (в те времена эта река была гораздо полноводнее). Люди периодически наведывались к излучине реки, добывая необходимые кости (примечательно, что практически все бивни, использовавшиеся в качестве строительного материала, имеют одинаковые габариты, что свидетельствует об их предварительном отборе). В пользу этой гипотезы говорит и то, что многие кости, найденные на стоянке, иногда на несколько тысячелетий старше предельного возраста культурного слоя. Помимо костей мамонта, на стоянке были обнаружены также кости северного оленя, зайца, бизона, грызунов. Из мелких костей изготавливались инструменты (типа проколок), а из крупных – мотыги для копания земли. Много обнаружено лапок песца – скорее всего они оставлялись как декоративный элемент меховой одежды.
Важным элементом сакральной жизни стоянки была природная красная краска – охра, которую изготавливали, видимо, путем длительного пережигания конкреций самородного железа, в большом количестве встречающихся в песчаном материке. Охрой посыпали полы жилищ, маркировали ямы-хранилища и ямки-«кладики». Иногда охру смешивали с красной глиной или жиром. На стоянке в большом количестве обнаружены керамические фрагменты, часто смешанные с охрой или обожженные. На данный момент их предназначение остается не вполне ясным. Среди наиболее интересных находок, помимо фигурки бизона и палеолитических «Венер», выделяются также ожерелье из зубов песца, мотыга из бивня мамонта и крупные кости с нанесенным на них крестообразным орнаментом.
Коллекция кремневых орудий с зарайской стоянки чрезвычайно богата и насчитывает сотни тысяч изделий. Близость естественных выходов кремневых пород позволяла не экономить сырье, поэтому в коллекции можно встретить наконечники длиной 16 см и пластины длиной более 20 см. В 2001–2002 гг. была вскрыта яма третьего этапа (переделанная из более древней землянки), полностью заполненная преформами – крупными кремневыми желваками массой до 4 кг. На стоянке обнаружено и много массивных нуклеусов. Это позволяет в деталях восстанавливать всю технологическую цепочку изготовления каменных орудий.