충청북도 단양군 단양읍 천동리에서 1977년 주민들에 의해 발견된 동굴로, 단양군 단양읍 천동리라는 지명을 따라 ‘천동굴’로 명명되었다.
단양 천동굴은 고생대 조선누층군에 속하는 풍촌석회암층에 형성된 동굴로, 길이는 약 300m이다. 입구의 규모는 작지만 내부로 들어갈수록 광장 형태로 넓어지는 특징을 지닌다. 동굴 내부의 용식은 지하수가 장기간 머물면서 지하 호수 환경이 형성되는 가운데 일어난 것으로 보인다. 천동굴은 이러한 수중 환경에서 석회암이 용해되고 침전되는 과정을 거치며, 독특한 미지형이 발달한 것으로 알려져 있다.
특히 포도송이 형태의 동굴산호가 잘 발달해 있으며, 수중 환경에서 형성된 것으로 추정되는 ‘꽃쟁반 지형’이 발견된다. 동굴산호는 지하수를 통해 유입된 석회 성분이 동굴 벽면 등에서 둥글게 뭉쳐진 형태로, 석회동굴에서 흔히 나타나는 대표적인 미지형이다. 꽃쟁반 지형은 정체된 물속에서 석회 성분이 서로 응집되며 형성된 구조로, 국내 다른 석회동굴에서는 보기 드문 지형이다.
이외에도 동굴 내부에는 종유석, 석주 등이 나타나며, 지하수가 유입되는 지점을 중심으로 ‘커튼형 유석[flowstone]’이 형성되어 있다. 천동굴의 커튼형 유석 중 일부는 석회 성분 외의 불순물이 섞이면서 다양한 색의 층을 이루며, 마치 베이컨처럼 생긴 형태를 보여 ‘동굴베이컨’이라 불리기도 한다.
천동굴은 1977년 충청북도 지정문화재[현, 지정유산]로 지정되어 보호되고 있으며, 단양국가지질공원의 지오사이트(geosite) 중 하나로 포함되어 있다. 인근에는 지질학적으로 가치가 높은 지질구조가 노출된 다리안 유원지가 있다. 천동굴은 한때 일반에 개방되었으나, 2024년 현재 휴관 중이다.