Hang này nằm trong quần thể hang động Phong Nha-Kẻ Bàng. Nó là một phần của hệ thống ngầm nối với hơn 150 động khác ở Việt Nam tọa lạc gần biên giới với Lào
Hang có chiều rộng 200 mét, cao hơn 150 mét, dài ít nhất là 6,5 km. Chiều dài có thể còn sâu hơn nữa, tuy nhiên do điều kiện kỹ thuật giới hạn, các nhà thám hiểm thuộc Hiệp hội Hang động Hoàng gia Anh không thể đi hết chiều sâu của hang để xác định hang dài bao nhiêu.
Với kích thước như thế, hang Sơn Đoòng đã vượt qua hang Deer ở Vườn quốc gia Gunung Mulu của Malaysia (với chiều cao 100 m, rộng 90 m, dài 2 km) để chiếm vị trí hang động tự nhiên lớn nhất thế giới.
Ngoài ra ở một số đoạn hang Sơn Đoòng còn có kích thước lớn tới 140 m x 140 m, trong đó có các cột nhũ đá cao tới 14 m. Một bức ảnh lộng lẫy do nhiếp ảnh gia Carsten Peter chụp vào tháng 5 năm 2010 ghi nhận đoạn hang có bề rộng khoảng 91,44 m, vòm hang cao gần 243,84 m – có thể chứa lọt một tòa nhà cao 40 tầng của thành phố New York.
Trong hang các nhà nghiên cứu còn tìm thấy một dòng sông ngầm dài 2,5 km và có cả những cột nhũ đá cao tới 70 m.