De to vigtigste arkæologiske fund, der forbindes med Illerup Ådal, er dels et imponerende våbenoffer, dels lokaliteten Alken Enge med menneskeknogler fra flere hundrede krigere. Fundene, som begge stammer fra jernalderen, anses som udtryk for rituelle handlinger og har foranlediget den teori, at hele dalstrøget ned til Mossø i jernalderen var en hellig dal med en indgang til underverdenen.
Den ældste lokalitet, Alken Enge, dateret til ca. år 100, afspejler et rituelt hændelsesforløb, der tilsyneladende var udbredt i det keltiske område i det nuværende Frankrig og Holland. Baggrunden for offerhandlingen i Alken Enge, som involverede tusindvis af menneskeknogler, var, at et meget stort slag har stået et sted i det østjyske, og krigerne fra den tabende part er efterladt på slagmarken eller samlet sammen på en hellig plads. Efter et halvt år har almindelig nedbrydning og dyrs adgang til de døde krigere resulteret i, at knoglerne for hovedparten har ligget som spredte enkeltknogler på jordoverfladen. På et tidspunkt er skeletmaterialet blevet samlet sammen og transporteret til Alken Enge, der i tiden omkring Kristi fødsel var en ca. 40 ha stor lavvandet sø. Her har befolkningen ofret knoglerne i søen som en afslutning på konflikten. Begivenheden markerede samtidig sejrherrens sidste fornedrelse af individerne fra den slagne fjendtlige hær.
Udgravninger i Alken Enge i årene 2008‑14 har vist, at der er tale om et usædvanlig velbevaret fund. Undersøgelserne har bl.a. omfattet udfærdigelse af dna-profiler på individerne, hvilket har bidraget væsentligt til udforskning af den nordeuropæiske jernalderbefolkning. Endelig repræsenterer fundet også en af de største kendte hære fra ældre jernalder (ca. 500 f. Kr.-ca. 375 e. Kr.), hvilket er en indikation på, at jernaldersamfundet var gennemorganiseret, når det formåede at opstille så store hærenheder.
I Illerup Ådal, 5 km opstrøms udløbet, er der ydermere gjort et ekstraordinært fund af offervåben fra den efterfølgende periode af jernalderen. Fundet omfatter mere end 22.000 genstande, hvoraf mange stammer fra det romerske imperium. Ad fire omgange har der i årene ca. 200-ca. 450 været foretaget ofringer af hærudstyr i form af lanser, sværd, skjolde og økser samt af krigernes personlige udstyr som rageknive, kamme, mønter, pincetter m.m. Ingen skeletter fra krigerne er fundet, men fire heste er ofret her. Ud fra udstyret i ofringerne kan man opstille et hærhierarki, der viser spor af et velorganiseret samfund med småhøvdinge under ledelse af en eller flere storhøvdinge, der indgår i hærene. De mange genstande fra Romerriget giver desuden et særdeles godt indtryk af dets store indflydelse i det germanske område, nord for Romerrigets grænser, på denne tid. Våbenfundet er udstillet på Moesgaard Museum i Aarhus Kommune.
I 1996 blev 28 ha af Illerup Ådal fredet for at beskytte de arkæologiske værdier, da der stadig ligger mange ofrede våben bevaret i området.