Dãy núi đá vôi vùng biên giới Việt–Lào có nhiều hang động như động Phong Nha đã biết đến từ lâu nhưng hang Sơn Đoòng chỉ được khám phá vào năm 1991 khi Hồ Khanh - một người dân địa phương - tình cờ tìm ra khi lánh vào cửa hang để tránh mưa.[4] Bẵng một thời gian đến năm 2009 khi đoàn thám hiểm Hiệp hội Hang động Hoàng gia Anh đến khu vực này thăm dò thì Hồ Khanh mới báo cho họ.[4] Phải khó khăn lắm ông mới tìm lại được cửa hang vốn nằm sâu trong rừng già với địa hình khá hiểm trở, cách xa đường lớn và không thể phát hiện thấy trên Google Earth. Dưới sự hướng dẫn của ông, họ đã đi sâu vào hang, chụp ảnh, đo đạc và thu thập dữ kiện khoa học.[4]

Vì Hồ Khanh được cho là người đầu tiên phát hiện ra hang động này nên đoàn thám hiểm đề nghị ông Khanh đặt tên cho hang. Ông Khanh đã lấy tên mình làm tên hang, gọi là hang Hồ Khanh. Đoàn thám hiểm ghi nhận tên do ông Khanh đặt nhưng mấy hôm sau họ xin phép ông Khanh để cho họ đặt lại tên cho hang là "Sơn Đoòng" và ông đã đồng ý. Tên gọi "Sơn Đoòng" được tạo ra bằng cách ghép địa danh "Đoòng" có sẵn từ trước với từ Hán Việt "sơn" (chữ Hán: 山, có nghĩa núi). Gần cửa trước hang Sơn Đoòng có một bản của người Vân Kiều tên là bản Đoòng.[5][6][7]

Ngày 22 tháng 4 năm 2009, phái đoàn Hiệp hội Hang động Hoàng gia Anh do Howard Limbirt dẫn đầu đã công bố việc phát hiện hang và cho rằng quy mô của hang Sơn Đoòng quả thực là lớn nhất thế giới.[8][9]

Vào tháng 1 năm 2010, các nhà thám hiểm đã trở lại Sơn Đoòng để tìm hiểu thêm về hệ thống hang động này.[1]