Le formazioni rocciose entro le quali si sviluppa questo grande complesso di sale e cunicoli risale al Permiano (circa 200 milioni di anni fa): si tratta di rocce calcaree di origine organica, analoghe a quelle che costituiscono le attuali barriere coralline. L'opera di erosione sotterranea ebbe inizio 140 milioni di anni dopo: le acque superficiali cominciarono a penetrare nel sottosuolo, disciogliendo (grazie al contenuto di anidride carbonica) il calcare. I piccoli dotti vennero via via ampliati fino a scavare maestose cavità. Contemporaneamente prese il via quella semplice ma costante opera di rideposizione di calcare in forma di incrostazioni, cortine, stalattiti e stalagmiti, sui soffitti, sulle pareti e sul fondo delle grotte, che ha portato alla decorazione di tutto il complesso. Una serie di crolli, anche di importante entità, ha causato la formazione di sale sotterranee di proporzioni grandiose.

La scoperta delle grotte avvenne in modo quasi casuale: queste cavità nascoste costituivano un rifugio ideale per migliaia di pipistrelli che vi depositavano una grande quantità di guano. All'inizio del XX secolo alcuni minatori alla ricerca di questo utilissimo fertilizzante ebbero l'occasione di entrare, quasi accidentalmente, nelle grotte. James Larkin White, che faceva parte del gruppo, fu il primo a esplorarle in modo avventuroso (era munito infatti soltanto di una lampada al cherosene) e ne riportò un'impressione entusiastica, che riferì nei suoi racconti.

Solo intorno al 1920 la National Geographic Society organizzò due spedizioni per l'esplorazione di questo monumentale complesso carsico. I risultati portarono alla stesura di una pianta delle cavità e all'inventario delle bellezze naturali in esse custodite. Fu anche accertato che molti secoli prima gli Indiani avessero vissuto in alcuni antri di queste grotte. Dopo che il General Land Office ebbe compilato un dettagliato rapporto sull'interesse geologico e naturalistico del luogo, le grotte vennero proposte come "monumento nazionale". Il 25 ottobre 1923 questa richiesta fu sottoscritta dal presidente degli Stati Uniti Calvin Coolidge e, nel 1930, le grotte divennero Parco Nazionale.  

Nella zona semideserta e arida in cui si trova il Parco spicca per la sua maestosità l'ingresso alle grotte, costituito da un ampio arco naturale alto una trentina di metri e largo una quindicina. All'interno si snoda una serie di corridoi e di caverne che coprono una lunghezza complessiva di circa trenta chilometri. I tre livelli su cui sono disposti si trovano a profondità che vanno dai 64 ai 252 metri, mentre il bacino freatico si trova circa 185 metri al di sotto del limite inferiore delle grotte fino a oggi esplorate.  

La sezione più antica, la Bat Cave (Caverna dei pipistrelli), si sviluppa nel piano più alto e costituisce con il corridoio principale - una sorta di sentiero obliquo che conduce alle grotte più note e spettacolari situate a quote inferiori. 

La Green Lake Room (Sala del lago verde) è la più alta delle "sale sceniche" . Il nome deriva da una pozza profonda in un angolo della sala che  deve il suo colore alla presenza di malachite. Negli anni quaranta, durante un test militare sulla praticabilità delle grotte come rifugio nucleare, il Green Lake venne usato per osservare le increspature causate da un test atomico effettuato a molte miglia di distanza. Non vennero rilevati movimenti dell'acqua.

Il King's Palace (Palazzo del re) è la grotta più ricca di ornamenti naturali. Deve il suo nome ad una formazione geologica somigliante ad un castello nel centro della sala. Vi si può osservare anche il Bashful Elephant.

La Queen's Chamber (Camera della regina), è una delle sale più belle dell'intero sistema di grotte. Presenta formazioni calcaree quasi trasparenti (illuminate, rifrangono delicati colori rosati). 

La Papoose Room (Sala del neonato indiano) è una piccola grotta ma molto interessante per le fitte stalattiti.

La Big Room (Stanza grande o Stanza dei Giganti) è la più vasta, con una superficie di 7,28 ettari, la cui volta raggiunge gli 82 metri d'altezza. Nel complesso quest'ultima caverna si presenta come un ampio corridoio e ospita una delle costruzioni di calcite più elevate al mondo: la stalagmite denominata Giant Dome, alta oltre 20 metri. Altre formazioni stalagmitiche di notevoli dimensioni si trovano lungo i corridoi e all'interno delle sale: le più imponenti sono il Twin Dome e il Totem. Altra massiccia curiosità geologica, l'Iceberg è un monolito sprofondato nei crolli dei vari strati di terreno, con un peso stimato in circa 200.000 tonnellate.  

La Balloon Ballroom (Sala da ballo dei palloni) si trova sopra al soffitto del corridoio dell'entrata principale. Questa piccola stanza venne raggiunta la prima volta grazie ad una scalata in cordata raggiungendo un gruppo di sfere, e superandole entrando nel passaggio.

La Bell Cord Room (Stanza della corda della campana) è chiamata così per l'alta e stretta stalattite che scompare attraverso un buco nel soffitto. Questa stanza si trova alla fine del Left Hand Tunnel.

La Bifrost Room (Sala del bifrost) è stata scoperta nel 1982 e si trova sopra il soffitto del Lake of the Clouds. Il suo nome fa riferimento alla mitologia norrena secondo cui ad un mondo celeste si possa accedere dalla terra solo camminando su di un arcobaleno, il bifrost. La stanza prese questo nome a causa della sua posizione sopra al Lake of the Clouds ed alla colorazione.

La Chocolate High (Sala del cioccolato) è un labirinto di passaggi che si estendono per 1,5 Km di lunghezza, scoperto nel 1993 sopra ad un pozzo di fango nella New Mexico Room, noto anche come Chocolate Drop.

La Guadalupe Room (Sala di Guadalupe) fu scoperta da un ranger nel 1966, è la seconda sala più grande delle Carlsbad Caverns. È famosa per la concentrazione di stalattiti dovute allo stillicidio di soda.

La Hall of the White Giant (Sala dei giganti bianchi) è un'ampia sala contenente un'immensa stalagmite bianca. Vengono regolarmente organizzati dei tour che comprendono anche la visita di questa caverna.

Il Lake of the Clouds (Lago delle nuvole) è il punto più profondo delle grotte. Si trova in un passaggio laterale del Left Hand Tunnel. Deve il nome al lago che contiene formazioni rocciose globulari simili a nuvole, formatesi nell'acqua quando il livello era molto superiore a quello attuale.

Il Left Hand Tunnel (Tunnel della mano sinistra) è un lungo passaggio stretto, con fessure profonde nel terreno. Queste crepe non portano in altre sale. Il Left Hand Tunnel unisce il Lake of the Clouds al Bell Cord Room.  

La Mystery Room (Sala del mistero) è una piccola sala situata nella parte inferiore delle grotte.

La New Mexico Room (Sala del Nuovo Messico) è adiacente alla Queen's Chamber ed è accessibile tramite un corto pendio.

New Section (Sezione nuova) - Una serie di fessure ad est della White Giant e parallela alla Bat Cave. Sono tuttora in atto studi in questa sezione, e nuove scoperte sono all'ordine del giorno.

Lo Spirit World (Mondo dello spirito) si trova sopra al soffitto della Big Room. È piena di stalagmiti bianche che somigliano ad angeli..

Il Talcum Passage (Passaggio di talco) è una stanza situata nella parte inferiore delle grotte, il cui terreno è cosparso di gesso.

The Rookery (Canneto) è una delle sale più ampie. In questa sala sono state rinvenute numerose perle di grotta.  

L'Underground Lunchroom (Sala da pranzo interrata) si trova nella Big Room in testa al Left Hand Tunnel. Contiene un bar costruito negli anni cinquanta, ed un ascensore attraverso il quale si esce dalle grotte.  

L'esplorazione delle grotte è facilitata dalla presenza di scale in cemento, sentieri e ascensori. Tutte le caverne sono illuminate artificialmente. La visita del Parco è consigliabile in primavera, quando la vegetazione della zona esplode in una varietà di fioriture, o a inizio estate, quando è possibile avvistare cervi che si aggirano nel fondovalle e nei canyon più bassi.

La Grotta Luchuguilla presenta caratteristiche eccezionali, tanto che dal punto di vista scientifico è considerata una delle più importanti al mondo. Dal momento che parecchi depositi rocciosi sono ancora in formazione, vi si possono studiare i processi geologici in corso. Vi si possono osservare concrezioni molto rare, favorite dalla presenza di alcuni batteri. Di particolare rilievo i cosiddetti "candelabri": alcuni di essi, di oltre sei metri, pendono dalla volta sotto forma di grossi cristalli trasparenti di selenite.  

Sedici specie di pipistrelli vivono nel parco, compresa una nutrita colonia di pipistrelli messicani senza coda. Si stima che, in passato, questo gruppo abbia superato il milione di esemplari, ma il loro numero si è drasticamente ridotto in tempi moderni. La causa è sconosciuta anche se il pesticida DDT viene spesso accusato di esserne il principale responsabile. Negli ultimi anni si stanno moltiplicando, ma il loro numero è ancora ben lontano da quello raggiunto in passato.

Sono state usate numerose tecniche per stimarne il numero. I vari metodi indicano una popolazione di molte centinaia di migliaia di esemplari quando i cuccioli sono in volo.