国际洞穴学联合会曾定义洞穴为岩石中人足以进入的天然地下空洞。以成因为基础定义洞穴，直径或宽度大于产生紊流的有效最小孔径5～15毫米的溶蚀空洞。

中国早在《山海经》和《神农本草经》中就有关于洞穴及洞穴沉积物的记载。南宋范成大在《桂海虞衡志》（1175）中记载了洞穴，并探讨了成因。明末徐霞客亲身探查了数以百计的洞穴，为洞穴科学研究的先驱。欧洲在3世纪前开始洞穴探险。1748年组织第1次洞穴科学考察。1930年，美国地质学家W.M.戴维斯（William Morris Davis）发表现代科学观的“石灰岩洞穴成因理论”。1936年，英国洞穴学协会成立，标志洞穴学正式形成。1949年成立世界常设洞穴委员会。1953年，在巴黎举行第1届国际洞穴学会议。1965年在卢布尔雅那举行第4届会议，并成立国际洞穴学联合会。1993年，在北京召开第11届国际洞穴学会议，当时有会员国53个。截至2017年，共召开了17届国际洞穴学会议。洞穴研究总是喀斯特研究的一部分，又由于它还涉及洞穴生物、古生物与考古、洞穴医疗等等而渐发展成洞穴学（Speleology）。1950年，后洞穴学研究新进展：①洞穴成因与类型；②洞穴开发探测新技术，从而认识洞穴系统性和耦合水文网；③洞穴沉积与矿物，尤其石笋微层，结合同位素等新技术应用，提取高分辨率古气候环境信息；④通过洞壁流痕等形迹揭开并测算地下古径流水文和水动力。

从终年积雪的高纬与高山地区，到低纬与海面以下地区的可溶岩内均有分布。世界有调查档案的洞穴约15万个以上，长度超过50千米的35个，深度超过1000米的62个。其中最长的美国肯塔基猛犸洞系，截至2006年实测总长达587.28千米；最深的洞为格鲁吉亚的克鲁贝拉洞，深1710米。中国最长的贵州绥阳双河洞截至2018年3月25日公布，实测总长度238.48千米，为亚洲最长，世界第六长洞；中国最大面积的洞厅是黔南格必河洞系苗厅，140 900平方米，仅次于世界上最大的马来西亚穆鲁洞沙捞越厅，162 700平方米。

喀斯特洞穴

洞穴由含二氧化碳的天然水沿可溶岩层裂隙溶蚀侵蚀而成。按水流性质洞穴类型分3类：①渗流带（包气带）洞穴，地面以下至地下水面以上的洞穴，降水通过裂隙下渗溶蚀扩大裂隙的空间形成，包括落水洞和竖井等；②饱水带洞穴，位于地下水面以下，上部形成浅饱水带（地下水面）洞穴，多形成较大水平洞，下部形成深饱水带洞穴；③承压水带洞穴，具很大压力的地下水形成的洞穴，深度可达可溶性岩层底面。按形态洞穴类型分水平洞穴和垂直洞穴。

有化学堆积 、碎屑堆积 、有机堆积 、洞冰堆积等。堆积过程自然记录了发生的年代及当时环境信息，常含古生物和古人类残骸与遗迹。其中化学堆积千姿百态，不仅是科学研究的对象，而且是旅游资源。国际上通用的speleothem（洞穴化学堆积）一词，由splelean（洞穴的）和thema（堆积）组成，指洞穴中形成的次生矿物堆积。

已知洞穴化学沉积形态有61类和亚类，另外还有种和变种。主要有以下几类。

又称钟乳石，洞顶向下生长的一种碳酸钙沉积物。是渗流水流入洞顶后因温度、压力的变化，二氧化碳逸去，水中碳酸钙过饱和而沉淀形成。典型者有输水中央管道，以其为轴排列成垂直的镶嵌晶体层，形成同心圆状结构，如钟乳泌汁而得名。一种管状石钟乳称麦秆石，又称鹅管石，是石钟乳开始生长模式。

渗流水中碳酸钙沿洞壁或倾斜的洞顶向下沉淀成层状堆积，形如布幔而得名，又称石帘、石帷幕。它是由流石-滴石合成的。

渗流水沿一裂缝以一定角度渗出，并在两侧沉淀伸展呈一对平行的盾状沉积物。盾体的直径从10多厘米至5米，厚度一般为2～10厘米。新、老复合石盾代表生长的不同周期。

由洞穴底部向上生长的碳酸钙沉积物，形如笋而得名。洞顶下滴的渗流水在洞底发生溅击中，二氧化碳逸去和水的蒸发，碳酸钙和非碳酸盐沉淀，形成向上和向侧成层生长的钝顶无中心管道的石笋，其微层可断年和提取高分辨率古环境信息。石钟乳和石笋彼此连接的柱状堆积，称为石柱。

下滴水溅出的水珠黏附在洞壁或其他表面后，水珠中的碳酸钙析出，或渗出水重结晶成珊瑚状、花状沉积。

向任何方向螺旋状或扭曲的洞穴化学沉积。常侧向自由生长，无视重力。它生长于湿润的封闭环境中，这种条件若被破坏，就会停止生长。可分为地上与水下两亚类，以及丝状、串珠状、蠕虫状和鹿角枝状等4种。

在洞穴浅水坑中形成的碳酸钙同心圆结核，又称穴珠。因多为珍珠状而得名，但也有柱形、正方形和多边形等。一般由晶体围绕中心核，以辐射层成层生长。沙砾、动植物遗骸、洞穴沉积物和漂浮物等碎块，均可成为生长核。其圆形是因坑中相同的过饱和水，造成成层生长速度均等，且球形正是最小表面积容纳最大物质量的结果，并非滚动磨圆。

薄层地下水沿不平坦洞底流动时扰动水流，促使二氧化碳散逸，加上表面张力引起方解石结晶，碳酸钙沉淀形成，且常成边石坝，拦水成塘。

洞穴环境下由基岩或碎屑中原生矿物经转化的次生矿物，组成洞穴化学沉积物。至1997年，经国际新矿物委员会审定的正式洞穴矿物达255种。常见的有方解石和文石，尤其前者最普遍。两者为多形晶，具有相同的化学成分碳酸钙，但原子结构不同。方解石属三方晶系，形态呈菱形六面体或犬牙状，文石属斜方晶系，是针状晶体。在正常的洞穴温度和压力下，文石比方解石更易溶，属亚稳态，故总在方解石之后才从溶液中沉淀，不久后内部又转为方解石的晶体结构，仅外表保持针状。文石在高海拔与高纬地区洞温接近0℃的条件下，更易形成；而方解石在温暖区，尤其热带洞穴中更占优势。

有洞穴植物、动物、微生物和古生物化石。洞内随光强减弱，洞穴植物种类迅速减少，器官和组织结构也发生变化，主要有羊齿植物、苔藓和地衣-藻类。洞穴动物包括：①真洞穴动物，只生存于洞内黑暗世界中，通常体内缺色素，无眼或仅小眼，但触角大，含较多味蕾，感觉灵敏，具有低耗能的新陈代谢，如洞穴鱼、洞螈、洞穴蜘蛛、尺蛾和膜足硬肢马陆。②喜洞穴动物，在洞穴内完成生命循环，能在洞外黑暗潮湿环境中生活的动物，如蚯蚓、某些蝾螈。③寄居性洞穴动物，临时寄居于洞内的动物，如蝙蝠。洞穴化石主要是古动物和古人类化石，世界古人类化石地点大多数是在洞穴内，中国已发现的猿人遗址有80%在洞穴中，如北京猿人。

洞穴深处的气温稳定，与当地年平均气温相近。洞穴温度还因洞穴形态和洞口数目而异：由洞口向下倾斜的单洞口洞穴，冬季时冷空气下沉洞底，夏季洞外热而轻的暖气难以进入洞内，成为冷洞；甚至在温带山地可形成终年积冰的冰洞，如山西吕梁山宁武冰洞（约北纬39°，海拔2200米），斯洛文尼亚普列德梅亚（predmeja）冰洞（约北纬46°）；由洞口向上倾斜升起的单洞口洞穴，暖空气保留在洞穴的上部，成为暖洞。自然界洞穴仍常与洞外热交换，有的在夏季从洞内吹出凉风，有的在冬季向洞外喷热气，有的周期性吸进和吹出，形成呼吸洞。

研究人类起源和文化艺术产生、发展的场所，具有古环境与生物多样性的科研价值。地下世界是重要的旅游资源。因洞穴空气洁净，空气的电离很弱等，欧洲不少国家建立了“洞穴医疗”，主要治疗支气管哮喘、风湿痛和高血压症等。洞穴内储有锡、铝土矿、压电石英、冰洲石、芒硝和鸟粪等矿产资源，汞、钽、铌、铀、镭等稀有元素和石油、天然气的富集也与洞穴有关。洞穴曾用作仓库和兵工厂。1996年8月在挪威皮尔根召开“气候变化：喀斯特记录”国际讨论会。20世纪末以来，中国通过碳（AMS¹⁴C）与铀系（TIMS-U）同位素测年、氧同位素古温度和微层韵律分析研究，获得如北京石花洞、南京汤山洞、贵州都匀七星洞等，从石笋微层提取高分辨率古气候环境信息。