แผนที่ถ้ำหลวง ขุนน้ำนางนอนที่คณะวิจัยจาก มช.ทำการสำรวจและทำไว้เมื่อปี 2537                         

"ถ้ำหลวงนางนอน" ตั้งอยู่ในเขตป่าสงวนแห่งชาติ"ป่าดอยนางนอน" เป็นพื้นที่ได้รับการประกาศให้เป็นป่าสงวนแห่งชาติ ตามกฎกระทรวงฉบับที่ 566 (พ.ศ.2516)ออกตามความในพ.ร.บ.ป่าสงวนแห่งชาติพ.ศ.2507 เพื่อคุ้มครองไม้ที่มีค่าในพื้นที่ เช่น ไม้กระเทือน ไม้มะคร่า และไม้มะม่วง เป็นต้น รวมทั้งทรัพยากรธรรมชาติอื่น ทั้งนี้ ป่าสงวนแห่งชาติป่าดอยนางนอน ครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 38,475ไร่ พื้นที่บางส่วนของป่าดอยนางนอน อยู่ในโครงการพัฒนาดอยตุง แต่มีการกันพื้นที่ประมาณ 5,000 ไร่ หรือราว 8ตารางกม.บริเวณถ้ำหลวงขุนนำนางนอน ไว้เป็นเขตวนอุทยานแห่งชาติ "ถ้ำหลวง-ขุนน้ำนางนอน" เป็นสถานที่ท่องเที่ยว  อยู่ในการดูแลของสำนักงานอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติ ส่วนอุทยานแห่งชาติ กรมป่าไม้ กระทรวงเกษตรและสหกรณ์  เนื่องจาก ไม่สามารถ จัดตั้่งเป็น อุทยานแห่งชาติ ได้เนื่องจาก มีพื้นที่ต่ำกว่า 10 ตารางกม.  

จากการสำรวจเมื่อปี 2557-2559 โดยนักสำรวจชาวอังกฤษที่มาสำรวจถ้ำในประเทศไทยพบว่า  ถ้ำหลวง ขุนน้ำนางนอน ซึ่งตั้งอยู่ที่บ้านน้ำจำ ตำบลโป่งผา เป็นถ้ำหินปูนกึ่งแห้งขนาดใหญ่ มีความยาวรวมทั้งสิ้น 10,316 เมตร ถือเป็นถ้ำที่มีความยาวมากที่สุดเป็นอันดับ 4 ของประเทศไทย  ปากถ้ำเป็นโถงกว้างและสูงกว่าโถงถ้ำแรก ภายในถ้ำสามารถพบเกล็ดหินสะท้อนแสง หินงอก หินย้อย ธารน้ำ ถ้ำลอด และถ้ำแขนง แนวโถงถ้ำมีเส้นทางคดเคี้ยว บางช่วงเข้าถึงง่าย บางช่วงมีเพดานต่ำ นอกจากนี้ยังมีหลักฐานที่แสดงถึงวิวัฒนาการของถ้ำจำนวนมาก เช่น รอยการไหลของน้ำเป็นริ้วคลื่น (ripple mark) ระดับพื้นถ้ำเก่า หินถล่มขนาดใหญ่และเล็กจำนวนมาก รอยแตกแบบมีแรงดึง (tension crack) รอยระดับน้ำ หลุมยุบ โพรงเพดานถ้ำ และรอยแตกของผนัง ถือเป็นถ้ำที่มีความเหมาะสมในเชิงการศึกษาวิจัย

ถ้ำหลวง -ขุนน้ำนางนอน ไม่ได้เป็นที่สนใจทั้งประเทศไทย แต่อย่างใดจนกระทั่ง เมื่อวันที่ 23 มิถุนายน  2561 ผู้ฝึกสอนและนักฟุตบอลเยาวชนทีมฟุตบอลหมูป่าอะคาเดมีแม่สายรวม 13 คน ได้สูญหายไปในถ้ำหลวงจนถึงปัจจุบัน นับเป็นเวลาเกือบ 7 วัน โดยมีหลักฐานเป็นจักรยานหลายคันที่จอดไว้บริเวณปากถ้ำรวมทั้งสัมภาระและรองเท้าหลายชิ้นที่พบทิ้งไว้ในถ้ำ[3] หลังจากนั้นเจ้าหน้าที่ได้ทำการตามหาโดยระดมความช่วยเหลือจากทุกภาคส่วนทั้งในประเทศไทยและต่างประเทศ ซึ่งเป็นปฏิบัติการที่ได้รับความสนใจจากสังคมเป็นวงกว้าง

ในการช่วยเหลือ13ชีวิต"ทีมหมูป่า" ให้หลุดจากถ้ำหลวงฯ ที่ผ่านมา ได้มีทีมผู้เชี่ยวชาญจากหลายประเทศมาให้ความช่วยเหลือ ไม่ว่าผู้เชี่ยวชาญดำน้ำในถ้ำจากอังกฤษ ทหารอเมริกัน  ทีมจากประเทศจีน ลาว  หน่วยซีลของไทย นักขุดเจาะน้ำบาดาล นักธรณีวิทยา ชาวต่างชาติทีเคยเข้าไปสำรวจถ้ำหลวงฯ แต่อุปสรรคอย่างหนึ่ง ก็คือ การขาดข้อมูลสภาพทางภูมิศาสตร์ภายในถ้ำอย่างแท้จริง  ว่ากันชัดๆก็คือ ยังไม่เคยมีการสำรวจถ้ำหลวง-ขุนน้ำนางนอน ไปจนถึงสุดปลายถ้ำ และในช่วงประมาณ 20ปี ยังไม่เคยมีงานวิจัยเกี่ยวกับถ้ำหลวง-ขุนน้ำนางนอน 

อย่างไรก็ตาม แต่ในช่วงปี 2538 ได้มีงานวิจัยชิ้นหนึ่ง ที่ทำการสำรวจ และวิจัยเกี่่ยวกับถ้ำหลวง -ขุนน้ำนางนอน โดยเป็นการศึกษาวิจัยหัวข้อ"การศึกษาเพื่อจัดทำแผนการจัดการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมธรรมชาติ บริเวณถ้ำหลวงนางนอน จังหวัดเชียงราย"นำเสนอโดย สำนักงานนโยบายและแผนสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ พ.ศ.2538 โดยมีผู้ช่วยศาสตราจารย์ อัษฎางค์ โปราณนานนท์ เป็นหัวหน้าคณะวิจัย 

ที่มาของการทำวิจัยครั้งนี้เกิดขึ้นจาก ตามแผนแม่บท  เพื่อการอนุรักษ์ธรรมชาติ ที่คณะรัฐมนตรี  มีมติ เมื่อวันที่ 3  กรกฎาคม  2533 ให้มีการดำเนินการอนุรักษ์ สิ่งแวดล้อมธรรมชาติเฉพาะแห่ง เนื่องจาก ที่ผ่านมามีการใช้ประโยชน์ทรัพยากรธรรมชาติ และสิ่งแวดล้อมในหลายพื้นที่ ของประเทศ  อย่างไม่เหมาะสม ทำให้แหล่งทรัพยากรธรรมชาติบางแห่งสูญสิ้น เสื่อมโทรม  ทำให้ต้องมีการอนุรักษ์โดยเร่งด่วน รวมทั้งปรับปรุงสภาพแวดล้อมทางธรรมชาตินั้นๆ และที่ผ่านมา"วนอุทยานถ้ำหลวง-ขุนน้ำนางนอน" ที่เปิดให้เป็นสถานที่ท่องเที่ยว ก็อยู่ในข่ายได้รับการศึกษา เพื่อนำไปสู่การอนุรักษ์ พัฒนาด้วยเช่นกัน

สำหรับ การศึกษาครอบคลุมพื้นที่ถ้ำหลวงนางนอนและบริเวณโดยรอบ ที่มีความเกี่ยวข้องกับแหล่งธรรมชาติ อันควรอนุรักษ์ของแต่ละแห่งโดยแบ่งออกเป็นพื้นที่หลัก และพื้นที่รองดังนี้ พื้นที่หลักได้แก่พื้นที่ภายในบริเวณ ที่ทำการอุทยานถ้ำหลวง ขุนน้ำนางนอนซึ่งครอบคลุมไปถึง พื้นที่ในถ้ำและพื้นที่ข้างเคียงโดยรอบถ้ำ มีพื้นที่ประมาณ 250 ไร่ 

การศึกษาได้จำแนกออกเป็น 9 ส่วน ได้แก่ การสำรวจจัดทำแผนที่ถ้ำ งานด้านธรณีวิทยา งานด้านชีวภาพ งานสภาพภูมิทัศน์ งานด้านโบราณคดี งานวิศวกรรมสิ่งแวดลอม งานด้านประชากร สังคม เศรษฐกิจ งานด้านกฎหมายและองค์องค์ งานด้านการวางแผนและออกแบบ 

จากการศึกษาฯ ทำให้เมื่อปี2537 ได้มีการลงพื้นที่รสำรวจสภาพปัญหาถ้ำหลวงนางนอน (โดยคณะวิจัยได้ใช้ชื่อนี้ ไม่ใช่ถ้ำหลวง ขุนน้ำนางนอน แต่จะเรียกวนอุทยานแห่งนี้ว่าวนอุทยานถ้ำหลวง -ขุนน้ำนางนอน)ตั้งอยู่ในท้องที่ ต.โป่งผา อ.แม่สาย จ.เชียงราย ห่างจากตัวเมืองแม่สายประมาณ 6กม. และห่างจากตัวเมืองแม่จันประมาณ 27กม.  การเข้าถึงอุทยานฯ ค่อนข้างสะดวก มีทั้งรถประจำทาง และรถสี่ล้อเล็ก เส้นแม่จัน-แม่สาย ลักษณะทางกายภาพของถ้ำบริเวณข้างเคียงถ้ำหลวงนางนอน ยังมีอีก 3ถ้ำ คือถ้ำพระ ถ้ำเลียงผา  ถ้ำฤาษี แต่ถ้ำหลวงนางนอน มีขนาดใหญ่ที่สุดและเข้าถึงสะดวกที่สุด ส่วนถ้ำอื่นๆ มีขนาดเล็กกว่ามาก และการเข้าถึงค่อนข่างลำบาก 

ถ้ำหลวงนางนอน เป็นถ้ำที่มีขนาดใหญ่และลึกมาก มีความยาวที่สามารถเข้าไปสำรวจได้ในเดือนมิ.ย.2537 คือ 763 เมตร  รายงานวิจัยระบุว่าต่อจากนั้นไม่สามารถเดินเข้าไปต่อได้อีก  ความกว้างของถ้ำเฉลี่ย 60เมตร และช่วงที่แคบที่สุดประมาณ 1.50เมตร ลักษณะของถ้ำทอดตัวยาวไปทางเหนือและวกไปสู่ทิศตะวันตก เป็นแนวยาวไม่มีกิ่งก้านสาขาแยกออกไป การเดินทางภายในถ้ำค่อนข้างลำบาก มีหลุมพื้นที่ขรุขระ และลาดชันลงหลายแห่ง แต่ก็มีจุดที่สวยงามอยู่หลายแห่ง ในฤดูฝนจำมีน้ำไหลออกจากถ้ำ  และน้ำก็จะท่วมพื้นที่ส่วนใหญ่ภายในถ้ำ ซึ่งทางเดินเข้าไปได้ลึกเพียงประมาณ 300 เมตรเท่านั้น

ทางธรณีวิทยา ถ้ำหลวงนางนอนเกิดอยู่ในยุคคาร์บอนิเฟอ รัส(( Carboniferous) ต่อยุคเพอร์เนียน ( Pernian) ซึ่งมีอายุระหว่าง345-230 ล้านปีที่ผ่านมา  หินที่พบมรทั้งหินปูน หินอ่อน สีเทาถึงเทาดำ มีซากบรรพชีวิต หรือซอสซิล พวกไคร -ไบรสโทรมัม(Cribrostromum sp.) ทูเบอร์ทินา(Tubortina sp.) และเอคไคนอนเดีย(Echnoidea p;ate) สลับด้วยหินดินดาน สีเทา ในช่วงเวลาที่เกิดหินเหล่านี้ เป็นช่วงสองยุคสุดท้ายในมหายุค พาลีโอโซิอิก (Paleozoic Era ) ซึ่งในขณะนั้นแอ่งสะสมตะกอนในภาคเหนือติ้นขึ้้นมาก จึงมีการสะสมตัวของตะกอนคาร์บอเนตสลับกับตะกอนดินเหนียว ซึ่งเมื่อแข็งตัวกลายเป็นหินเกิดเป็นหินปูนสลับกับหินดินอาน นอกจากนี้ในช่วงเวลานี้ยังมีหินหนืด ( Magma) ใต้ผิวโลกได้แทรกตัวขึ้นมา ส่งผลให้หินปูนบางส่วนถูกแปรเปลี่ยนกลายเป็นหินอ่อน (Marble )หินในช่วปลายยุคคาร์บอนิเฟอรัส ต่อยุคเพอร์เนียนนี้ มีชื่อเรียกว่าหินราชบุรี(  Ratburi Group )

ถ้ำหลวงนางนอน เป็นถ้ำอีกแห่งหนึ่งบ่งชี้อย่างเด่นชัดว่า เป็นลักษณะภูมิประเทศ ซึ่งเกิดจากการกระทำของน้ำใต้ดิน เนื่องจาก ลักษณะโดยทั่วไปภายในถ้ำมีทางน้ำใต้ดินอยู่มากมาย และพบคูหาถ้ำที่มีขนาดแตกต่างกันไป ตั้งแต่ขนาด 30x100 เมตร ไปจนถึงทางเดินที่แคบกว่า 1เมตร ในบางช่วง บริเวณพื้นถ้ำ เป็นบริเวณสะสมตัวของตะกอนที่มีขนาดต่างๆ ตั้งแต่ขนาดเล็กถึงใหญ่ 

ตะกอนขนาดเล็กคือ ดินเหนียว และขนาดใหญ่ ๆ คือ กรวด และทรายหยาบ เส้นทางภายในถ้ำ บางช่วงจะพบกับก้อนหินที่หักและถล่มลงมาอยู่ตามพื้น เส้นทางบางช่วงจำเป็นต้องปีนป่าย และมุดเข้าไป ผนังถ้ำในบริเวณที่มีน้ำท่วมถึงจะปรากฎ เป็นคราบดินเกาะอยู่ 

" ถ้ำหลวงนางนอนแห่งนี้ เท่าที่ปรากฎ ยังไม่เคยมีผู้ใดสำรวจจนสุดถ้ำ ซึ่งแสดงว่าถ้ำนี้ยาวมาก โพรงถ้าจะทอดยาวไปทางทิศตะวันตก โดยจะมีน้ำไหลในถ้ำ ปรากฎให้เห็นในช่วงฤดูฝน จากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก และลอดใต้ปากถ้ำ วกลงมาทางทิศใต้ ไปออกยังบริเวณทรายทอง ที่บริเวณขุนน้ำนางนอน ซึ่งอยู่ห่างออกไปทางทิศใต้ประมาณ 2กม. เส้นทางภายในถ้ำหลวงนางนอนมีลักษณะวกวน ซึ่งทำให้หลงทางได้ง่าย ลักษณะทางเด่นทางธรณีวิทยาที่พบมากที่สุดคือ ม้วนเบคอน (Bacon Formation )ซึ่งชาวบ้านจะเรียกว่า"สไบทอง"พบหินย้อย(  Stalactite) หลอดหินย้อย ( Soda Straw  )   และหินงอก          (Stalagmite)รูปตุ๊กตา"งานวิจัยเมื่อปี2537ระบุ

คณะศึกษาวิจัยระบุอีกว่า ถ้ำหลวงนางนอนมีความน่าสนใจมากมาย แต่เนื่องจากในช่วงฤดูฝน ประมาณเดือนก.ค.-ต.ค. ภายในถ้ำมีน้ำไปไหลจากภายในตัวถ้ำออกสู่ปากถ้ำ และไหลลงช่องใต้ดินบริเวณปากถ้ำ  จึงทำให้มีอุปสรรคในการเดินทางภายในถ้ำ โดยในช่วงเวลาดังกล่าว นักท่องเที่ยวสามารถเดินเที่ยวชมได้เพียงบริเวณเขาวกวน ซึ่งเป็นระยะทางประมาณ  300เมตร จากปากถ้ำเท่านั้น แต่ช่วงเวลาอื่นๆ สามารถเข้าไปจนถึง"เมืองลับแล "อย่างไรก็ตาม การเข้าถึงต้องจัดให้มีมัคคุเทศก์นำทางนักท่องเที่ยว มิฉะนั้นอาจหลงทางได้ 

ในการศึกษาครั้งนี้ได้ทำในช่วงฤดูฝน ทำให้ศึกษารายละเอียดลักษณะต่างๆภายในถ้ำ ตั้งแต่ปากถ้ำไปจนถึงระยะทางเข้าไปประมาณ 300เมตร  บริเวณขาวกวนเท่านั้น ซึ่งยิ่งลึกเข้าไป มีลักษณะที่น่าสนใจอีกมากมาย ไม่ว่าจะเป็น  เจดีย์ทราย มงกุฏเพชร ลานเพลิน บ่อน้ำทิพย์ หินย้อยรูปสไบ เมืองลับแล และอื่นๆ 

 แต่ไมสามารถทำการศึกษาได้อย่างละเอียดเนื่องจากน้ำท่วมบริเวณถ้ำ บริเวณที่ศึกษาจึงทำได้ แถวเขาพระสุเมรุ ท้องฟ้าจำลอง ตอไม้โบราณและเขาวกวน ดังมีรายละเอียดดังนี้ 

บริเวณเขาพระสุเมรุ  เมื่อผ่านปากถ้ำหลวงนางนอนเข้าไป จะเป็นห้องโถงแรกที่มีขนาดใหญ่มาก เป็นลักษณะเด่นของถ้ำแห่งนี้  ภายในโถงถ้ำมีหินย้อยจำนวนมาก แต่ไม่มีลักษณะเด่นนัก การเข้าสู่บริเวณเขาพระสุเมรุ จะต้องเดินลงไปในถ้ำแล้วข้ามพื้นถ้ำซึ่งจะแห้งในฤดูแล้ง แต่จะมีน้ำไหลออกมาในฤดูฝน ทางขึ้นเขาพระสุเมรุค่อนข้างลำบาก เพราะมีความลาดชันสูง พื้นดินเป็นโคลน

ลักษณะต่างๆที่พบบริเวณเขาสุเมรุมีดังนี้ "เขาพระสุเมรุ" เป็นกลุ่มหินงอกจากพื้นถ้ำ มีความสวยงาม "หินกากเพชร"  เป็นหินย้อยที่เห็นลักษณะผนึกแร่ จึงสะท้อนแสงไฟ ถัดจากบริเวณหินกากเพชร มาบริเวณทิศใต้ จะพบบริเวณที่ถ้ำเกิดการถล่ม พบได้บริเวณผนังถ้ำและหินย้อย ม่านหินย้อย ต่อมาพบ"โล่หินปูน" บริเวณผนังถ้ำมีลักษณะคล้ายหูช้าง ถัดมาพบหินปูนกลม เกาะบนหินย้อย 

"หินย้อยทิวลิป "เป็นหินย้อย จากเพดานถ้ำ  มีรูกร่างคล้ายดอกทิวลิป "หินปลีกล้วย" เป็นหินย้อยจากเพดานถ้ำ มีรูปร่างคล้ายปลีกล้วย "หินบัวคว่ำ" เป็นหินย้อย ย้อยจากเพดานถ้ำ  มีลํกษณะรูปร่างคล้ายดอกบัวคว่ำ และพบหลอดหินปูน อยู่ด้วย  และภายในบริเวณนี้ยังปรากฎร่องรอยของการทำลายสิ่งแวดล้อมโดยการขีดเขียน

ถัดมาเป็น.บริเวณท้องฟ้าจำลอง -ตอไม้โบราณ -เขาวกวน  "ท้องฟ้าจำลอง" เป็นส่วนของถ้ำหลวงนางนอนที่อยู่ต่อจากเขาพระสุเมรุไปทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือ โดยอยู่ลึกจากปากทางเข้าถ้ำประมาณ 100 เมตร จะพบทางเดินสูงชันและลื่น ขึ้นไปประมาณ 50 เมตรก็จะถึง พื้นที่นี้มีลักษณะเป็นเนินสูงขึ้นไปจาพื้นถ้ำปกติ  มีฐานเป็นวงกลม และส่วนยอดที่สูงที่สุดนั้น  เป็นส่วนที่มีพื้นที่แคบมาก รองรับคนได้ไม่เกิน 10 คน มีลักษณะโค้งโก่งตัวขึ้นไปคล้ายหลังคารูปโดม ชาวบ้านจึงเรียกตำแหน่งนี้ว่า"ท้องห้าจำลอง"

ในบริเวณนี้เพดานถ้ำ จะมีลักษณะคล้ายรูปโดมสูงขึ้นไป และมีร่องรอยว่าเคยเป็นที่อยู่อาศัยเดิมของค้างคาว ส่วนของเพดานถ้ำที่มีลักษณะเป็นรูปโดมนั้น จะมีโพรงสูงขึ้นไปด้านบน ซึ่งคาดว่าน่าจะเป็นทางผ่านเข้าออกของค้างคาวสู่ภายนอกถ้ำ มีค้างคาวอาศัยเกาะอยู่่บริเวณโพรงเป็นจำนวนหนึ่ง เป็นที่น่าสังเกตุว่าบริเวณเพดานถ้ำ ไม่ปรากฎหินย้อยเลย แม้จะมีน้ำหยดลงมาตลอดเวลาก็ตาม ผนังของถ้ำหลวงฯ ในบริเวณนี้มีความชื้นมากจะสังเกตเห็นน้ำซีมออกมาตามรอยร้าวของหินปูนบริเวณผนังถ้ำตลอดเวลา

บริเวณจุดยอดของท้องฟ้าจำลองจะมีโพรงขนาดเล็กมีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ไม่ลึกนัก มีร่องรอยการเกาะของค้างคาว ส่วนในบริเวณพื้นที่ถ้ำส่วนนี้ จะพบหินงอกกระจัดกระจายอยู่ทั่วไป แต่ยังพบหินขนาดใหญ่ และเศษหินเล็กๆ อยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งเกิดจากการถล่ม ของเพดานถ้ำ

เมื่อเดินต่อมา พบหินขนาดใหญ่กองรวมด้านซ้ายมือ ซึ่งเกิดจากการถล่มของผนังถ้ำเช่นกัน และบริเวณพื้นถ้ำ เป็นดินโคลนเฉอะแฉะ และมีขี้ค้างคาวเป็นจำนวนมาก มีกลิ่นฉุน อย่างที่ชาวบ้านเรียกว่า"กลิ่นถ้ำ" บริเวณนี้อับชื้น พบหลุมยุบ เป็นบริเวณกว้าง

บริเวณท้องฟ้าจำลองนี้ มีความสูงชัน ทางเดินลื่น ไม่มีแสงสว่าง ในช่วงฤดูฝน จะน้ำหยดจากเพดานตลอดวลา มีความอับชื้นและมีกลิ่นขี้ค้างคาวรุนแรง จึงไม่เหมาะกับนักท่องเที่ยว คนแก่ เด็ก เพาะอาจพลัดตกลงไปได้รับอันตรายได้ 

ตอไม้โบราณ -เขาวกวน เป็นบริเวณที่อยู่ต่อจากท้องฟ้าจำลอง โดยอยู่ลึกจากปากถ้ำประมาณ 300 เมตร บริเวณนี้มีลักษณะเป็นเนินดินสูงจากทางน้ำ ขึ้นไปประมาณ 3เมตร มีลักษณะเป็นลานโล่ง มีโต๊ะหินสำหรับนั่งพักผ่อน  ลักษณะต่างๆที่พบมีดังนี้

ตอไม้โบราณ อยู่บริเวณผนังถ้ำทางซ้ายมือ เป็นหินงอก จากพื้นถ้ำ มีรูปร่างลักษณะและสีคล้ายตอไม้ บริเวณผนังถ้ำที่พบ ตอไม้โบโราณ ยังพบหินย้อยรูปร่างๆต่าง และพบหลอดหินย้อย  ม่านเบคอน หินย้อยที่มีลักษณะคล้ายฟัน  ส่วนบริเวณพื้นถ้ำ พบทำนบหินปูน 

ผนังด้านขวามือของเขาวกวน พบหินย้อย จากผนังถ้ำมีลักษณะคล้ายปลีกล้วยหรือรวงผึ้ง และพบม่านหินย้อย จากผนังถ้ำมีสีขาวสวยงามมาก และบริเวณถ้่ำยังพบหินงอก แสดงให้เห็นว่าถ้ำยังเกิดอยู่ ( Active Cave)

หลังจากผ่านบริเวณ"เขาวกวน"ไปแล้วผนังถ้ำมีลักษะคล้ายคอขวด และยกระดับพื้นสูงขึ้น ในฤดูฝนจะทำหน้าที่เป็นฝายกักเก็บน้ำไว้ภายใน แต่ถึงแม้จะเป็นหน้าแล้ง  แต่การเดินทางในช่วงต่อไปยังค่อนข้างลำบากมาก เหมาะกับนักท่องเที่ยวที่างกายมีความพร้อมสมบูรณ์ รวมทั้งมีความพร้อมในอุปกรณ์ต่างๆด้วย 

นักสำรวจและวิจัยถ้ำหลวง ฯยังสำรวจถ้ำเล็กๆที่อยู่ใกล้ถ้ำหลวงนางนอนอีกด้วย โดยมีการเข้าไปสำรวจ"ถ้ำพระ " เป็นถ้ำขนาดเล็กมากอยู่ทางทิศตะวันตกจากปากถ้ำหลวงนางนอน มีลักษณะคล้ายโพรงความลึกประมาณ 8-10เมตร สูงประมาณ 12 เมตร  มีพระพุทธรูปขนาดใหญ่ตั้งขวางปากถ้ำ ภายในมีหินงอกหินย้อย จำนวนหนึ่งมีลักษณะไม่เด่นมาก สภาพทั่วไปในช่วงสำรวจ ค่อนข้างสกปรก มีเศษดอกไม้ รูปเทียนอยู่ไปทั่ว แสงสว่างยังเข้าถึงได้ตลอดเวลา

ถ้ำฤาษี เป็นถ้ำอยู่บนภูเขาด้านตะวันตก ของที่ทำการวนอุทยาน ต้องเดินขึ้นไปประมาณ  80เมตร ตั้งอยู่ใกล้ผาชัน การเข้าถึงค่อนช้างลำบาก แต่ตัวถ้ำมีลักษณะแปลกตา เพราะมีโพรงเพดานสูงให้แสงทะลุลงสู่พื้นถ้ำ ล้อมรอบด้วยผาหินปูนซึ่งเป็นลักษณะของหลุมยุบภายในถ้ำ มีความกว้าง ยาว 20เมตร และลึกลงไปราว  30เมตร เป็นร่องรอยทางโบราณคดีวิทยา ที่น่าสนใจ ส่วนพืชพรรณที่พบ เป็นพรรณไม้ดั้งเดิม 

อีกแห่ง ถ้ำเลียงผา อยู่บนภูเขาด้านตะวันตกของที่ทำการวนอุทยาน การเข้าถึงจะต้องป่นเขาขึ้นไปประมาณ 100 เมตร ทางขึ้นค่อนข้างลำบาก จึงทำให้ถ้ำแห่งนี้ มีสภาพธรรมชาติ ภายในถ้ำเป็นโพรงคล้ายถ้ำพระ ปากถ้ากว้างลึกประมาณ 10เมตร  สูง 10เมตร มีหินงอก หินย้อยอยู่เป็นจำนวนมาก มีลักษณะเด่นเท่ากับถ้ำหลวง 

ลักษณะทางอุทกวิทยา ภายในถ้ำหลวงนางนอน คณะสำรวจรายงานว่า มีร่องน้ำ ในฤดูแล้งจะแห้งเหมาะจะเข้าไปได้ลึกถึง"นครบาดาล" หรือประมาณ 703เมตร แต่ในฤดูฝน มีน้ำไหลออกมา เริ่มจากเดือนก.ค.ของทุกปี และปริมาณน้ำจะเพิ่มมากขึ้นเรื่อยจนถึงปลายฤดูฝน น้ำจะลดและจะแห้ง ที่บริเวณเขาวกวน  ที่มีลักษณะเป็นคอขวด น้ำจะถูกกักไว้ ทำให้เกิดน้ำท่วมภายในถ้ำ ทำให้ไม่สามารถเดินทางต่อไปได้   

ที่บริเวณปากถ้ำในช่วงเวลาสำรวจคือเดือนกรกฎาคม ระดับน้ำในร่องน้ำสูงประมาณ 20เซ็นติเมตร  ที่บริเวณปากถ้ำ มีแอ่งน้ำที่มีน้ำใต้ดินซึมจากถ้ำขังอยู่ตลอดทั้งปี ชาวบ้านเรียกบริเวณนี้วา"บ่อน้ำทิพย์"  ซึ่งเป็นตำแหน่งที่อยู่ในระดับเดียวกับน้ำใต้ดิน หลังจากนั้นน้ำจะไหลลงสู่ทางน้ำใต้ดิน ไปออกที่ถ้ำทรายทอง บริเวณขุนน้ำนางนอง ซึ่งอยู่ห่างออกไปทางทิศใต้ ประมาณ 2กม. ซึ่งเป็นแอ่งน้ำขนาดใหญ่อยู่ในบริเวณเขตวนอุทยาน 

สภาพภูมิประเทศและลักษณะภูมิสัณฐาน บริเวณสถานีวนอุทยานถ้ำหลวงนางนอน และข้างเคียง จำแนกได้หลายลักษณะ ได้แก่ สภาพภูมิประเทศที่เป็นภูเขาหินปูน แอ่งระหว่างภูเขา ช่องเขายอดแหลมคม ลาดเทเขา หินโผล่ หน้าผาชัน หลุมยุบ และที่ราบสูงคลอดถ้ำ โพรงต่างๆ โดยมียอดเขาสูงที่อยู่ด้านทิศตะวันตกเฉียงเหนือและตะวันตก ความสูงที่สุดอยู่ที่ประมาณ 600 เมตร เหนือระดับน้ำทะเลปานกลาง ซึ่งทำให้พื้นที่บริเวณดังกล่าว มีจำนวนน้อยมากที่มีลักษณะค่อนข้างราบ เฉพาะบริเวณด้านหน้าของที่ทำการอุทยาน เท่าน้นที่มีพื้นที่ค่อนข้างราบ  สภาพภูมิประเทศดังกล่าว ทำให้มีน้ำฝนส่วนใหญ่ไหลจากทิศตะวันออก

พืชพรรณไม้ ที่ปรากฎจากลักษณะความเป็นเขาหินปูน ยอดสูงๆ ต่ำๆ แหลมคมมีความลาดชันสุง หน้าดินตื้น มีกลุ่มหินปูนแหลมคม ผถพังโผล่มากมาย บางบริเวณเป็นหน้าผาชัน พืชพรรณที่ปรากฎในพื้นที่เบาบาง เนื่องจากข้อจำกัดทางกายภาพ พืชที่ปรากฎมีบางชนิด 

นอกจากนี้ ยังมีลักษณะพื้นที่ทุ่งหญ้า-ที่ราบ พื้นที่ไร่ร้าง  พื้นที่วัชพืชปกคลุมตามลาดเทเขา กลุ่มวัชพืชรกชื้น กลุ่มวัชพืชโปร่ง 

ส่วนที่เป็นบริเวณป่าทึบเขียวตลอดปี  จะปรากฎบริเวณร่องหุบเขา ที่ราบสูง เชิงเขาลาดเท ทางทิศเหนือ ตลอดจนบริเวณที่มีหน้าดินลึกได้รับแสงน้อย เช่น บริเวณปากถ้ำ มีพวกไทร ไผ่  ไม้ใหญ่เขียวตลอดปี มีความหลากหลายของสังคมพืช

ลำดับชั้นของโครงร่างป่า พืชหินล่าง  ส่วนใหญ่เป็นพวกมอส เฟิร์น และว่านต่างๆ มีความชื้นสูงไดแสงแดดน้อย ปรากฎให้เห็นบริเวณปากถ้ำ ทั้ง 4 ถ้ำหลวง ถ้ำพระ ถ้ำฤาษี และถ้ำเลียงผา บริเวณลาดเทเขาทิศเหนือต่างๆ ซึ่งมีโอกาสไดรับแสงน้อย และมีความลาดชันมากกว่า ร้อย ละ45 

การศึกษาด้านชีววิทยา ทีมสำรวจและวิจัยจาก มช. ได้นำตัวอย่างจุลินทรีย์ในถ้ำไปวิเคราะห์ ปรากฎว่า พบทั้งโคลิฟอร์มแบคทีเรีย และฟิคอลโคลิฟอร์มแบทีเรีย จำนวนเกินกว่า 50 โคโลนีต่อ 100 มิลลิลิตร ดังนั้นถ้านำน้ำในถ้ำมาบริโภค ต้องผ่าน 3ขั้นตอนคือ การตกตะกอน การกรอง และการฆ่าเชื้อ

ผลการตรวจจุลินทรีย์ในอากาศภายในถ้ำพบแบคทีเรียกลุ่มBacillus sp. และococus sp. นอกจากนี้ยังพบเชื้อรา Aspergilus sp.     และ Penicillium sp. แต่พบในบริเวณน้อย ซึ่งถือว่าเป็นเรื่องปกติทั่วไปที่ต้องมีจุลินทรีย์ในอากาศ  เปิดถ้ำให้เข้าชมได้ ไม่มีปัญหาการติดเชื้อของระบบทางเดินหายใจ  

ผลการวิเคราะห์สาหร่ายในถ้ำหลวงนางนอน ที่บริเวณปากถ้ำ และจากการเก็บตัวอย่างตามผนังถ้ำ  ตามพื้นดินและตามก้อนหิน และที่บริเวณภายในถ้ำที่มีแสงสว่างส่องถึงรำไร  และเก็บตัวอย่างสาหร่ายตามผนังถ้ำ ตามก้อนหินที่อยู่พื้นถ้ำ และตัวอย่างแพลงตอนพืชในน้ำด้วย ปรากฎว่า สาหร่าบที่พบเป็นสาหร่ายแกมน้ำเงินมากที่สุด รองลงมาคือสาหร่ายสีเขียว ซึ่งเจริญอยู่ตามโขดหินหน้าถ้ำเป็นบริเวณกว้าง นอกจากนี้ยังพบอยู่ตามแนวทางเดิน เมื่อมองเข้าไปในถ้ำ จะเห็นสีเขียวคล้ำเพิ่มความสวยงามให้กับถ้ำ 

สาหร่ายที่ทุกชนิดที่พบในถ้ำ ไม่มีโทษแต่กลับผลิตออกซิเจนให้แก่สิ่งแวดล้อม จากกระบวนการสังเคราาะห์แสงของสาหร่ายเหล่านี้ ซึ่งมีผลให้บริเวณหน้าภ้ำและในถ้ำที่มีสาหร่าย จะมีอากาศดีขึ้น จึงไม่ควรกำจัดสาหร่ายเหล่านี้ 

เมื่อวันที่ 4ก.ค.2537 คณะนักวิจัย ได้เก็บตัวอย่างน้ำที่ไหลออกจากถ้้ำเมื่อวันที่ 9ก.ค.2537 มีการวัดอัตราการไหลของน้ำ  มีค่าความเร็วเฉลี่ย 0.71 เมตร/วินาที ความกว้างผิวน้ำ 126 ม./ชม หรือ เฉลี่ย 1.28เมตร ความลึกเฉลี่ย 0.07เมตร

น้ำที่ไหลออกมาจากถ้ำมีสภาพใสมาก  มีออกซิเจนละลายน้ำในอัตราส่วนที่สูง หรือ 88% ของค่าอิ่มตัว มีระดับการปนเปื้อนของสารอินทรีย์ และเชื้อโรคต่ำมาก เมื่อจำแนกตามมาตรฐานแหล่งน้ำผิวดำที่ไม่ใช่ทะเล ของสำนักงานคณะกรรมการสิ่งแวดล้อมแห่งชาติ จัดอยู่ในแหล่งน้ำประเภท 1-2 เป็นแหล่งน้ำที่มีตามธรรมชาติ และไม่ถูกกระทบจากกิจกรรมของมนุษย์ สามารถใช้เพื่อการอนุรักษ์ระบบนิเวศของแหล่งน้ำ   และกิจกรรมใช้ประโยชน์อื่นๆ ได้

อย่างไรก็ดี แหล่งน้ำนี้มีความกระด้างรวม 198 มก./ล  Caco3 และคาร์บอนไดออกไซด์ 12.2 มก./ล. ซึ่งเกิดเนื่องจาก ปฎิกริยาการละลายคาร์บอนด์ไดออกไซด์ในน้ำฝน และกัดเซาะละลายหินปูน(แคลเซียมคาร์บอเนต) ทำให้น้ำมีอัตราส่วนความกระด้างของแคลเซียมต่อความกระด้างรวมสูงถึง 90% เมือเทียบกับความสามมาถในการกัดกร่อน หรือตกผลึกหินปูนโดยใช้ดัชนีแลงเกลียร์ ( Langelier 's  Index ) และดัชนีไรช์นาร์ ( Ryznar Index)

พบว่าดัชนีแลงเกลียร์  มีค่าบวกเล็กน้อย ดัชนีไรซ์นาร์มีค่าเท่ากับ 7 พอดี แสดงว่าน้ำมีลักษณะสมบัติค่อนข้างเป็นกลาง ไม่อาจสร้างตะกรัน หรือตกตะกอนหินปูนได้อีก แต่อาจกัดกร่อนเพิ่มเติมได้อีกเล็กน้อย เมื่อพิจารณาว่าคาร์บอนด์ไดออกไซด์ ละลายน้ำอยู่ค่อนข้างมาก แสดงว่าช่วงที่ไหลออกมาจากถ้ำ ได้กัดกร่อนหินปูนมาสูงสุดท่าเที่ทำได้แล้ว และกระบวนการกัดกร่อนนี้จะยังเกิดต่อไปเรื่อยๆ ตราบใดที่น้ำไหลผ่านชั้นหินปูนในถ้ำออกมาอีก 

"น้ำที่ไหลออกจากถ้ำจะพบในเดือนก.ค.-ต.ค. เนื่องจากภายในสุดของถ้ำเคยมีการสำรวจพบลำน้ำ (จากการสอบถามเจ้าหน้าที่ ต้องเดินเข้าไปประมาณ 5 ชั่วโมง จึงจะพบลำน้ำ ) ในฤดูฝนคาดว่าลำน้ำเพิ่มปริมาณขึ้น และล้นออกจากปากถ้ำ  น้ำล้นที่ออกมานี้จะไหลสู่คูดินข้างถนน ไปสู่ขุนน้ำนางนอน"รายงานระบุ

ในแง่ของน้ำใต้ดิน การวิจัย รายงานว่า พื้นที่เข้าสู่ถ้ำหลวงมีชุมชนเบาบางประมาณ 18 ครอบครัว(พ.ศ.2537ปีที่ทำการสำรวจ) มีการใช้นำทั้งจากบ่อตื้น และบ่อบาดาล จากการเก็บตัวอย่างน้ำบาดาล 1แห่ง ซึ่งใช้เป็นแหล่งน้ำอุปโภคบริโภค ภายในวนอุทยานถ้ำหลวง 

คุณภาพน้ำบ่อตื้นค่าph ค่อนข้างต่ำ มีแร่ธาตะละลายอยู่ในน้ำน้อยมาก และจัดเป็นน้ำอ่อน มีระดับการปนเปื้อนของโคลิฟอร์มแบคทีเรียน้อย โดยทั่วไปจัดอยู่ในเกณฑ์มาตรฐานสามารถใช้อุปโภคบริโภค.