武陵源境内的索溪峪、天子山、袁家界等地分布着二叠纪、三叠纪石灰岩和白云岩地层。二叠纪地层厚513.2～647.0m，三叠纪地层厚900～3685m，境内石灰岩面积为158km2，占风景区面积的40.4％。石灰岩主要是海水中的钙质与古代水生物遗骸和骨骼经过千万年的沉积固结而成的。岩溶峰林的形成历史与砂岩相似，均属同一地区的地壳演化的产物。湘西北地壳在沉降时期形成近陆浅海后的2.8亿年时，地壳稳定，海面平坦宽阔、水生物、鱼类、珊瑚、海百合及一些浅海动物大量栖息，后经地质变迁，上升为陆地，在亚热带湿润季风气候影响下，经过长期淋溶、风化、侵蚀形成众多的岩溶峰林和岩洞景观。至今，天子山、袁家界等地尚有很多竹节虫、三叶虫、海百合化石，被称为化石博物馆。
