天门山的形成，天门山隆起开始于燕山运动，再经喜马拉雅山造山运动，造就了天门山隆起的主体，后经强烈的剥蚀和淋溶作用，形成了现今的喀斯特山地地貌。山顶因长期风化剥蚀和断层作用，四周陡峭部分被剥蚀仅保存了核部产状宽缓地地层，从而呈现出孤立台地地貌，台地峭壁以下有向下伸出的几条山峦及峰脊谷地，形成了今天的天门山。
天门洞的形成，说法不一，在 神话传说中，有登天之门之说，有人说是公元263年的地震崩解所致，有人说是自然山崩形成的，也有人说是溶洞溶蚀崩解所致。经考察，天门洞本是台地边缘的一个地下溶洞，溶洞顶部是向斜构造的核部，因向斜之力挤压，核部岩层本就为一个断裂破碎带，易于坍塌，再加上长期的溶蚀、侵蚀作用，终于南北两端岩层崩落，露出天门。
