지상 4층, 연면적 약 1830㎡[553평] 규모의 철골조 건물이다. ‘가장 깊은 비밀-동굴’이란 콘셉트로 물과 시간이 빚어낸 신비의 세계 동굴을 형상화하여 보여 준다. 전시 공간은 제1전시실, 제2전시실, 제3전시실, 특별전시실로 이루어져 있다. 제1전시실에서는 동굴의 종류, 동굴의 생성 과정, 동굴의 자원·역사·분포와 같은 미지의 세계를 보여 준다. 제2전시실에서는 동굴의 생명을 테마로 하여 동굴에 서식하는 동식물을 보여 준다. 제3전시실에서는 외국의 동굴, 영화 속의 동굴, 동굴 탐험과 에피소드 등을 전시하고 있다. 특별전시실에서는 바닥 수면을 이용한 특수 투시된 동굴을 보여 주며, 마지막 부분에서는 반딧불이와 박쥐의 일생을 보여 준다. 동굴신비관 내에는 약 360㎡(109평) 151석 규모의 I-MAX영화관이 있어 1일 3회 영상으로 동굴을 간접 경험할 수 있다.