黄龙洞的四层洞穴结构，完整记录了湘西北地区自第四纪（距今约260万年）以来的地质演化历程。受喜马拉雅运动影响，公园区域地壳先后发生了四次间歇性抬升，随着地下水向深处的不断溶蚀，形成了黄龙洞的四层洞穴结构，是这一过程最直观的见证，具有极高的科学研究价值。

1）约2.0亿年前，在海洋中生物作用和化学作用的共同影响下，公园形成了大量的以碳酸钙为主要成分的灰岩和生物碎屑灰岩等沉积岩。

2）经过漫长的地质演化，曾经深埋地下的灰岩逐步暴露于地表。构造运动促使灰岩产生大量裂隙，这些裂隙为石芽、溶洞等岩溶地貌的形成奠定了基础。

3）约50万年前，公园区域地壳处于相对稳定阶段。在此期间，地下水以水平径流为主，对灰岩地层进行持续溶蚀。在岩体裂隙和重力作用的共同影响下，岩块不断崩落，最终塑造出黄龙洞最上层的溶洞空间。

4）随着区域地壳快速抬升，使得原始溶洞被抬升至地下水位以上，溶蚀作用随之停止。随后，地下水在新的、更低且稳定的水平面上再度展开溶蚀，进而又塑造出又一层新的溶洞空间。

5）地壳的多次间歇性抬升，最终造就了黄龙洞独具特色的四层洞穴结构。在这一演化过程中，二氧化碳从滴落的水中逸散，碳酸钙重新析出并沉积，最终孕育出石钟乳、石笋、石柱等千姿百态的洞穴沉积景观。