A tavas barlangot bezáró kőzet a miocén kor végének szarmata korszakában, 12 millió éve képződött. Kőzettömegét az egykori Szarmata-tengerben lerakódott mésziszapos üledékekből összecementálódott mészkő rétegek alkotják. A hideg és a meleg karsztvizek keveredése üregeket, járatokat old ki a mészkőben. Százezer év alatt így jött létre a Tapolcai-tavasbarlang is, amely része a város alatti, immár 10 km hosszúságban feltárt barlangrendszernek. A térség későbbi kiemelkedés miatt a barlangok legfelső része szárazzá vált.
Az összekeveredett 20°C-ra hűlt langyos vizek a tavasbarlangból tovább áramlanak a felszín alatt, majd a Malom-tó forrásaiban látnak napvilágot. A tó vizének visszaduzzasztása tette lehetővé a barlangi csónakázást.
A Tapolcai-tavasbarlangot már 1942-ben, jóval a hazai barlangok általános védettségének kimondása előtt, védelem alá helyezték. 1982 óta fokozottan védett.