단양 온달동굴은 고생대 오르도비스기의 퇴적암층인 조선누층군 석회암에 형성된 석회동굴로, 인근 단양 북벽 지형을 이루는 암석과 동일한 지질을 갖는다. 북서–남동 방향의 구조선을 따라 석회암이 지하로 흘러든 물에 의해 용식(溶蝕)되어 만들어졌다. 전반적으로 직선 형태의 평면 구조를 지니며, 내부에는 지하 하천이 흐르고 있다. 이 하천은 한강으로 흘러들며, 동굴 입구가 한강 수면과 가까워 과거에는 홍수 시 침수되기도 했던 것으로 알려져 있다.
동굴 면적은 30만 7269㎡이며, 총 길이는 약 1,525m로, 주굴[약 600m]과 가지굴로 나뉘어 있다. 주굴에는 관광객을 위한 관람로가 설치되어 있으며, 가지굴은 계단을 통해 접근할 수 있다. 가지굴 내부에는 다양한 종유석과 석순 등 동굴 생성물이 발달해 있으며, 지하 하천 주변에는 석회 성분이 침전되어 형성된 림스톤(rimstone) 지형을 관찰할 수 있다.
석회암은 이산화탄소가 포함된 물과 반응하여 쉽게 용해되는 특성을 지닌다. 이에 따라 석회동굴은 수분 공급이 풍부하고, 물이 암석의 균열을 따라 흐르기 쉬운 지질 조건에서 발달한다. 지하수의 유량이 많을 경우 지하 하천이 형성되기도 한다. 동굴 내부에서는 지금도 석회 성분을 함유한 물에 의해 종유석과 석순 등이 지속적으로 형성되고 있다.
단양 온달동굴은 1979년 천연기념물로 지정되었으며, 2020년에는 단양국가지질공원의 지오사이트(geosite)로 선정되었다. 인근에는 고구려 산성인 온달산성이 있으며, 주변에는 온달유원지가 조성되어 있다. 유원지 내 건물들은 여러 드라마와 영화의 촬영지로 활용되고 있다.