용연동굴은 백두대간의 중추인 금대봉 하부능선 해발 920m에 위치하고 있다.  용연동굴이 일반인들에게 공개된 연대는 확실히 알 수 없으나 동굴 깊은 곳에 임진왜란 때 피난했다는 내력의 붓글씨가 있다고 하며 전해 오는 말로는 의병의 본부 역할을 하였으며 국가 변란시피난처였다고 한다. 

오랜동안 특별한 보호대책 없이 일반에 노출되어 종유석 석순 등 생성물의 훼손이 심하였으나 1980년 2월 26일 강원도 지방기념물 제39호로 지정되어 동굴입구에 출입통제 구조물을 설치하여 보호해왔다.
그후 동굴의 개발을 위하여 1994년 9월 23일 문화재공개 허가되어 동굴탐방 시설공사가 이루어졌다. 

태백시 일대에는 고생대의 퇴적암류가 넓게 분포한다.  용연동굴 주변의 지질은 하부고생대 오도비스기의 막골층에 해당된다.  막골층은 주로 암회색 내지 석회암, 돌로마이트질석회암 및 돌로마이트로 되어있다. 이층에서 층리가 잘 발달한 석회암이 잘 나타나며 암석 내에는 다량의 화석파편들이 발견되고 있다. 
1995년 8월 학술조사시 측량된 동굴의 총길이는 843m이며 전체적인 형태를 볼 때 수평굴의 범주에 속하며, 구조적으로 살펴보면 4개의 광장과 2개의 수로로 이루어져 있다. 

가장 큰 제1광장은 길이가 130m이고 높이가 약50m이며 다음의 제2광장은 길이가 89m이다.  또한 2개의 수로 중 제1수로는 길이가 57m이고 제2수로도 길이가 57m로서  이들 수로는 과거의 동굴류에 의해 형성되었고 하방침식이 진행되었음을 알 수 있다. 

동굴 내의 기온은 지역에 따라 다소 차이가 있으나 대부분의 지역이 9.1~11.9도의 기온분포를 보여주고 있으며 또한 동굴내의 습도도 55~70% 정도로서 물의 공급량이 많은 다른 석회동굴에 비하여 낮은 편이다. 

태백시는 진입도로 2.1km를 만들었고, 830m의 동굴 내부에 통로박스와 계단 난간 및 통로포장 등 동굴탐방시설 공사를 끝냈다.  동굴내 전기통신시설과 조명시설을 갖췄고, 동굴 대형광장엔 춤추는 리듬분수대 1개 일반분수대 2개, 화산모형분수대 1개를 설치했다.  주차장에서 동굴입구까지 1.6km 구간에 무궤도열차인 "트렘카"를 운행한다
"용연열차"로 명명한 3량의 트렘카는 95명을 한꺼번에 실어 나를수 있으며, 왕복운행에 25분이 걸린다.