La grotte du Mas d’Azil est avant tout un site naturel, avec une géologie exceptionnelle et une topographie particulière.
Elle se développe au travers d’un chaînon calcaire qui traverse l’Ariège d’Est en Ouest sur 80 kilomètres environ, le Plantaurel.

L’entrée principale est un immense porche qui s’ouvre au sud de près de 70 mètres de hauteur et 50 mètres de large et qui laisse pénétrer la rivière Arize. 

A droite de ce grand porche, un autre plus petit et totalement artificiel (1876) permet à la route départementale de rejoindre le village du Mas d’Azil, un kilomètre plus bas.

La géographie de la grotte est complexe et les parcours sinueux de la rivière et de la route déterminent deux secteurs bien distincts, autant géologique qu’archéologique :

• la rive gauche, constituée d’une vaste terrasse d’environ 100 mètres de long, s’étend le long de la berge de la rivière et qui la surplombe d’une douzaine de mètres. 
Elle se situe sous la grande voûte sud et constitue un vaste espace protégé et largement éclairé par la lumière du jour. Cette grande terrasse, formée d’un amas de blocs tombés de la voûte, offrait ainsi un habitat de premier choix pour les hommes préhistoriques.

R. Kann

• la rive droite s’ouvre à peu près à mi-parcours du tunnel. Cet ensemble karstique, plus complexe, de galeries et de cavités est composé, de trois étages situés 50 mètres au dessus de la rivière. 

Les cavités n’offrent pas la vision d’un décor lumineux de stalactites et stalagmites, mais des parois sobres à apparence tout à fait particulière, avec une morphologie qui leur donne un aspect noduleux, façonnement dû au lent travail de l’eau.

Des diverticules secondaires ainsi que des cheminées verticales, souvent inaccessibles, complètent ce vaste labyrinthe, certainement pas connu dans sa totalité. Les cavités et galeries présentent des remplissages, souvent importants, de cailloutis et d’argiles. C’est cette partie qui se visite actuellement.