在碳酸盐岩石地区，由于构造活动的机械作用、水的动力作用和生物化学作用，使岩石和土壤具有渗透性，岩石具备可溶性且可溶性不均一，在地表水和地下水充足且具有溶蚀性的条件下，形成石芽石，岩石被溶解和破坏，地表的岩石被剥蚀露出地面，岩体内部产生新的空隙，形成洞穴。经过若干万年的溶蚀，洞穴由小变大，纵横交错。由于溶蚀速度的差异，洞内形成各种巷道曲径，加上地下水中重碳酸钙的沉积与堆积，逐渐形成石笋、石幔、石柱、石钟乳等千姿百态的洞中奇观，对旅游者产生巨大吸引力。武陵源的溶洞主要部分在索溪峪河谷的北侧，天子山的南侧。海拔400m以下的山地平均有13.4个/km2,溶洞，400～600m的山地为7.9个/km9，600～1000m的山地上为5.5个/km2，1000m以上的山地上平均为7.8个/km2。以400m以下和1000m以上为多。武陵源境内最著名的溶洞是黄龙洞和观音洞。此外，张家界市还有永定区的玉皇洞、桑植县的九天洞、慈利县的燕子洞、仙女洞等众多著名溶洞。
