Hang Sơn Đoòng được hình thành khoảng 2-5 triệu năm trước, khi nước sông chảy ngang qua vùng đá vôi đã bị vùi lấp dọc theo một đường đứt gãy. Dòng nước làm xói mòn và tạo ra một đường hầm khổng lồ trong lòng đất dưới dãy núi. Tại những nơi đá mềm, phần trần sụp xuống tạo thành những lỗ hổng, lâu ngày tạo thành những vòm hang khổng lồ.[10]

Hang có chiều rộng 150 mét, cao hơn 200 mét, chiều dài lên tới gần 9 ki-lô-mét. Ước tính dung tích của Hang Sơn Đoòng là 38.5 triệu mét khối (tương đương 15.000 bể bơi Olympic).[11]

Với kích thước như thế, hang Sơn Đoòng đã vượt qua hang Deer ở Vườn quốc gia Gunung Mulu của Malaysia (với chiều cao 100 m, rộng 90 m, dài 2 km) để chiếm vị trí là hang động tự nhiên lớn nhất thế giới.[12][13]

Ngoài ra ở một số đoạn hang Sơn Đoòng còn có kích thước lớn tới 140 m x 140 m, trong đó có các cột nhũ đá cao tới 14 m. Một bức ảnh lộng lẫy do nhiếp ảnh gia Carsten Peter chụp vào tháng 5 năm 2010 ghi nhận đoạn hang có bề rộng khoảng 91,44 m, vòm hang cao gần 243,84 m - có thể chứa lọt một tòa nhà cao 40 tầng.[14]

Trong hang các nhà nghiên cứu còn tìm thấy một dòng sông ngầm dài 2,5 km và có cả những cột nhũ đá cao tới 70 m. Hang có những quần thể san hô và di tích thú hóa thạch.[15]

Hang có hai "giếng trời", là hai nơi mà trần bị sụp, đưa nắng chiếu vào, tạo điều kiện cho cây cối phát triển như một khu rừng nhiệt đới trong hang động, một nơi trong đó được gọi là "vườn Adam".[15]