Lịch sử của Sơn Đoòng bắt đầu từ rất lâu trước khi con người biết đến sự tồn tại của nó. Các nhà địa chất ước tính hang được hình thành cách đây khoảng 2 đến 5 triệu năm.
- Sự hình thành ban đầu: Hang được tạo ra do dòng sông ngầm chảy mạnh mẽ xuyên qua khối núi đá vôi Kẻ Bàng. Sức nước của dòng sông liên tục bào mòn và hòa tan đá vôi dọc theo một đường đứt gãy địa chất. Quá trình này diễn ra âm thầm dưới lòng đất trong hàng triệu năm, dần dần khoét rỗng tạo thành một đường hầm khổng lồ bên trong dãy núi.
- Sự sụp đổ và hình thành các "giếng trời": Theo thời gian, tại những đoạn đá mềm yếu hơn, trần hang đã sụp đổ xuống. Những vụ sụp đổ khổng lồ này tạo thành các hố sụt lớn (doline), thường được gọi là "giếng trời". Các giếng trời này cho phép ánh sáng mặt trời chiếu rọi xuống lòng hang, tạo điều kiện cho thảm thực vật phát triển mạnh mẽ, hình thành nên những khu rừng nguyên sinh độc đáo với hệ sinh thái riêng biệt ngay bên trong hang động.
- Kiến tạo thạch nhũ và măng đá: Song song với quá trình bào mòn, nước mưa thấm qua lớp đá vôi, hòa tan canxi cacbonat và nhỏ giọt xuống trần hang. Qua hàng ngàn, hàng triệu năm, quá trình này tạo ra các thành tạo thạch nhũ (từ trần hang rủ xuống) và măng đá (từ nền hang mọc lên) với hình thù và kích thước vô cùng kỳ vĩ, một số cột măng đá ở Sơn Đoòng cao tới 70-80 mét.
Kết quả của quá trình địa chất phức tạp và lâu dài này là một hang động có kích thước phi thường, với đoạn lớn nhất dài hơn 5km, cao tới 200m và rộng 150m, đủ sức chứa cả một tòa nhà 40 tầng.
