동굴의 길이는 300m 정도이고, 1977년 2월에 마을 주민에 의해 발견되었다. 이 동굴은 소백산에 오르는 통로에 있고 부근에 다리안폭포가 있어 앞으로 관광개발이 기대되는 동굴로, 특히 2차생성물인 동굴퇴적물들이 많아 동굴실험실로 인정받고 있다. 1977년 12월에 충청북도 기념물로 지정되었다.
동굴이 위치한 단양읍 천동리의 지명은 마을 가운데 샘이 있어 장유수를 이루었으므로 샘골 또는 천동이라 하였다. 천동리는 1912년 행정구역 폐합에 따라 다리안 서쪽 끝에 있는 계구교, 서남쪽의 마을 순도골과 월촌을 병합하여 천동리라 해서 금강면에 속했다가 1917년대강면에 편입된 후 1989년단양읍에 이속되어 현재에 이르고 있다.
지질은 선캠브리아의 흑운모 · 화강암질편마암과 대석회암통의 풍촌석회암 등으로 혼합 형성되어 있는 소규모의 광장동굴이다.
입구가 협소하여 20m 정도를 기어 들어가야 하는데, 지하수의 침투량이 적어 동굴 천정에서의 낙수도 소량이며, 종유석과 석순의 생성이 매우 느리게 형성되고 있다.
커다란 광장을 중심으로 한 많은 종유관과 종유석 · 석순 · 석주무리들이 있다. 특히, 꽃쟁반이라 불리는 부유칼사이트가 굳어진 동굴퇴적물과 종유관 · 유석(流石) 등의 2차생성물들이 있다. 동굴 안에는 맑은 지하수가 고인 연못이 세 군데 정도 있고, 그 물 속에서 자연스럽게 만들어진 포도상구상체를 볼 수 있다.
천동리에는 총 12만4044㎡ 면적에 천동관광지가 조성되어 있다. 단양 시내에서 고수대교를 건너 다리안관광지 방면으로 약 6㎞를 이동하면 닿을 수 있다. 다리안관광지와는 1㎞ 거리에 있으며, 천동계곡과 단양동천굴을 중심으로 캠핑장, 천동 물놀이장, 파3 골프장, 야영장(오토캠핑장) 등의 편익시설이 갖추어져 있다.