เป็นถ้ำหินปูนขนาดใหญ่ หินงอกหินย้อยที่พบภายในถ้ำมีความวิจิตร ตระการตาเป็นอย่างมาก บางบริเวณยังมีน้ำหยดซึ่งก่อให้เกิดหินงอกหินย้อยได้ตลอดทั้งปี นอกจากนี้ผนังถ้ำบางบริเวณยังพบซากดึกดำบรรพ์ของแบคทีเรีย (สโตรมาโตไลท์) และหมึกทะเลโบราณ (นอติลอยด์) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ว่าหินปูนบริเวณถ้ำภูผาเพชรนี้มีอายุอยู่ในช่วงยุคออร์โดวิเชียน หรือเมื่อประมาณ 450 ล้านปีมาแล้ว และยังพบเศษภาชนะเครื่องปั้นดินเผา ซึ่งบ่งบอกถึงการเคยเป็นที่อยู่อาศัยของมนุษย์ยุคก่อนประวัติศาสตร์

ภายในถ้ำมีเนื้อที่ประมาณ 50 ไร่ หรือ 20,000 ตารางเมตร มีทางเข้าอยู่บนหน้าผาสูงชันสูงจากพื้นราบเชิงเขาประมาณ 50 เมตร พื้นที่ด้านนอกได้รับการพัฒนาเป็นพื้นที่บริการนักท่องเที่ยว ประกอบด้วยลานจอดรถ ร้านจำหน่ายอาหารและของที่ระลึก ห้องสุขา และอาคารบริการนักท่องเที่ยว รวมถึงพื้นที่ป่าดั้งเดิมที่ยังคงสภาพป่าที่สมบูรณ์ ภายในถ้ำเป็นโถงกว้างใหญ่ประกอบด้วยหินงอก หินย้อย หินปูนฉาน ผลึกแร่แคลไซต์ อ่างน้ำถ้ำ และไข่มุกถ้ำ เป็นต้น ที่มีรูปร่างลักษณะได้รับการตั้งชื่อต่าง ๆ ที่หลากหลาย ด้านลึกสุดมีช่องว่างขนาดใหญ่ให้อากาศและแสงส่องเข้าไปได้ไปกระทบกับพื้นหินทำให้มีสิ่งมีชีวิตจุลชีพสีเขียวเติบโตเป็นผืนพรมบนพื้นหินด้านที่ได้รับกับแสง อีกทั้งยังช่วยให้มีการระบายอากาศอีกด้วย หินปูนของถ้ำนี้เป็นกลุ่มหินทุ่งสงยุคออร์โดวิเชียน นอกจากนี้ยังมีการพบโบราณวัตถุพวกเครื่องปั้นดินเผาและเปลือกหอยทะเล ทำให้ทราบว่าเคยมีมนุษย์โบราณอาศัยถ้ำแห่งนี้เป็นที่อยู่อาศัยมาก่อน