Hồ Động Tiên có cấu trúc kiểu hang thềm điển hình, với đáy hang nằm cao hơn mặt biển không nhiều, thậm chí lối vào ở cửa hang còn bị ngập nước, phải tôn cao đường lên mới vào được.
Khác với tất cả các hang động khác trong Vịnh Hạ Long, trong hang Hồ Động Tiên còn di tích của nhiều nền hang treo bên vách, có dạng những “gác xép” kéo dài. Theo các nhà khoa học, đó là những phần mặt nền hang được cấu kết tương đối chắc chắn bằng chất CaCO3 mà phần dưới nền đã bị xói mòn do dòng chảy ngầm xuất hiện trong hang qua hàng ngàn năm.
Cũng theo các nhà khoa học, nếu nghiên cứu chi tiết các mảng sót của nền hang đó có thể tìm hiểu được chi tiết tiến trình dâng, hạ của mực nước biển Hạ Long - Halong Bay trong kỷ Đệ Tứ (kéo dài khoảng 2 triệu - 1,6 triệu năm trước). Điều đó có ý nghĩa lớn đối với việc khôi phục lịch sử địa chất của khu vực. Trong hang hiện có nhiều nhũ đá dạng cột rủ xuống chấm nền hiện tại, là cơ sở để đoán định rằng, phía dưới nền hiện tại còn có một nền hang cổ, và còn có nhiều măng đá mọc lên để đỡ những cột nhũ kể trên. Có điều, phân nửa hang phía dưới hiện vẫn bị trầm tích lấp đầy. Đó là một điều bí ẩn chưa được khám phá.
Từ ngăn thứ hai của hang Hồ Động Tiên có hai cửa thông ra một hồ nước, xung quanh có núi đá vôi bao bọc. Người ta gọi những hồ nước kiểu này là áng. Thực chất đây là một phễu karst có phần đáy bị ngập nước. Đó là một loại môi trường sinh thái đặc biệt, vừa biệt lập vừa lưu thông với biển thông qua hệ thống hang ngầm và khe nứt trong đá vôi. Vì thế, trong các áng thường có hệ sinh vật độc đáo, có thể gồm nhiều loài đặc hữu.
Việc cơ quan quản lý chưa cho phép đưa du khách vào hang như các hang động khác trên Vịnh, đã giúp cho các nhũ đá trong hang giữ được trạng thái tự nhiên. Các khối thạch nhũ ở đây phô diễn hết vẻ long lanh huyền bí của mình. Hàng triệu tinh thể canxit ánh lên kỳ diệu khi có ánh sáng nhẹ dọi vào. Điều đó ở những hang động đã khai thác như Sửng Sốt, Thiên Cung, Đầu Gỗ không bao giờ còn nữa…
Theo tours in Vietnam