온달산성이 있는 성산 기슭 지하에서 약 4억 5,000만 년 전부터 생성되어 온 것으로 추정되는 석회암 천연동굴로 굴과 지굴의 길이가 760m, 입구높이 약 2m이며, 면적은 34만 9485㎡이다. 동굴의 존재는 신 증동국여지승람 제14권 충청도 영춘현 고적조에 기록되어 있으며 1966년부터 학술조사가 시행되어 1975년 잠시 공개하였으나, 지리적 여건으로 폐쇄되었다가 대대적인 개발을 통해 1997년부터 다시 일반인에게 개방되었다. 아직 전혀 훼손되지 않은 태곳적 모습을 그대로 간직하고 있다.
동굴의 특징으로 동굴의 높이는 5~10m, 폭 5m가량으로 계단형 구조에 아기자기하고 여성적인 모양의 석순과 종유석이 잘 발달돼 있으며, 내부 평균온도가 여름철에는 섭씨 14도, 겨울철에는 섭씨 16도를 유지해 사계절 관광지로 적합하다. 특히 지하수가 풍부해 동굴 밑바닥에는 깊이 0.8~1m 정도의 물이 흐르고, 소규모 연못도 40여 개나 있으며 산천어 등 물고기와 곤충 등 10여 종의 생물도 서식하고 있다.
온달동굴 밖으로 나오면 동굴 왼쪽 산꼭대기에 온달산성이 있다. 고구려의 훌륭한 축조 기술을 엿볼 수 있는 반월형의 이 산성은, 1,400여 년의 세월에도 원형이 거의 그대로 보존되어 있으며 온달장군과 평강공주의 사랑이야기가 연연히 이어오는 까닭에 매년 10월 국화향기가 그윽할 즈음 온달문화축제가 성대히 열린다. 온달관광지 내의 테마공원과 장승공원은 또 하나의 볼거리이다.