天门山古称云梦山、嵩梁山，在三国吴永安六年（公元263年），这千米峭壁的中部在刹那之间轰然崩塌，形成了巨大的穿山石洞，就象一座镶嵌在天幕上的通天之门。吴国的皇帝孙休认为是祥瑞之兆，于是易嵩梁山为天门山，并将武陵郡（也就是今天的张家界市）改为天门郡。
天门洞是世界最高海拔的天然溶洞，它南北对穿，门高131.5米，宽57米，深60米。至于天门洞是怎么形成的，地质学家认为，这一带有一个轴向 320度的小向斜，其核部正对着天门洞道。洞的东西两壁被两条走向320度的节理所切，并有一条走向40度的节理，在天门洞处与其相交。天门洞顶有两处岩溶漏斗，雨水顺地面斜坡向漏斗处流动，渗入土中后沿着地层的缝隙，逐步汇集到向斜的核部，长期地溶蚀着节理两壁的石灰岩，节理带上就形成了一串象珍珠项链那样的小溶洞。日积月累，小溶洞不断扩大，彼此串通，当再也承受不了中部石体的重量时，就引发了局部崩塌，两组岩溶漏斗的深洞并为一体，终于形成了天门洞。但是关于这个说法，也有很多争议，比如说，如果天门洞真的是如此形成的，那么天门的石壁，包括我们脚下的地面，就不可能是如此平坦的状态，而是应该有明显的溶洞迸裂之后坑洼。所以，关于天门洞的形成，到现在还没有令人信服的结论，“天门洞开”也因此成为了天门山六谜之一。