Pierwotna sieć jaskiń powstała w trzeciorzędzie, erozji uległy wówczas sylurskie skały wapienne. Powstałe nisze i szyby zostały całkowicie wypełnione wodą charakteryzującą się wysoką kwasowością. Kwas zaczął oddziaływać na ściany i sklepienia zagłębień. Jak wysoko sięgała woda, widać dzisiaj w miejscu zwanym Elfin Ramble.
Temperatura w jaskiniach jest stała i wynosi ok. 12 ℃, podobnie jak w Jaskini Mamuciej w Parku Narodowym Mammoth Cave w stanie Kentucky.
Nie jest łatwo określić rozmiary poszczególnych komór Jaskiń w Luray. Spowodowane jest to ich nieregularnością i złożonością ich struktury. Jaskinie składają się z szeregu kondygnacyjnych galerii. Różnica wysokości pomiędzy najniższym punktem a najwyższym wynosi ponad 79 m.
Pierwotne formy krasowe thumb|250px|Jaskinie w Luray, formacje krasowe Totemy Jak to miało miejsce w innych jaskiniach krasowych, powstanie charakterystycznych form skalnych zależało od tzw. procesu krasowienia, tzn. rozpuszczania skał wapiennych. Rozpuszczający się węglan wapnia, powodował uwalnianie się dwutlenku węgla. Wytrącający się wapień osadzał się, tworząc najróżniejsze formy. Najpierw powstawały niewielkie kalcytowe okręgi osadowe, które stopniowo rozrastały się, tworząc kamienne sople, zwane stalaktytami.