Глубина воронки до дна 41 метр. Пещера в поперечнике достигает 15 метров. В ее юго-западной части расположено небольшое озеро глубиной около 10 метров. Котловина озера постепенно переходит в узкую трещину, рассекающую стены пещеры, на большую глубину. По линии трещины когда-то произошел сброс. Пласты по одну сторону трещины поднялись, по другую — опустились. На одном уровне оказались с одной стороны — темно-серые мергели палеогена, образовавшиеся 30 миллионов лет назад, и с другой — поднявшиеся с большой глубины белые слоистые известняки мелового моря, имеющие возраст около 60 миллионов лет. По сбросовой трещине циркулировала горячая минеральная вода. Она растворяла горные породы, что привело к возникновению пещеры с озером. Потолок пещеры обрушился, образовав воронку.
Озеро в Провале производит чарующее впечатление. Его сине-зеленая вода, цвет которой связан с нахождением в ней серы, особых бактерий и отчасти в результате отсвета небосклона, разливает по всей пещере удивительно нежный голубой свет.
В пещере чувствуется запах сероводорода, которым насыщена озерная вода, имеющая температуру около 40°. Все серебряные вещи — часы, кольца и другие, внесенные в пещеру, под действием этого газа быстро темнеют. Веточки и другие предметы в озерке покрываются налетом солей, растворенных в воде.
Сбросовая трещина питает озеро минеральной водой. До образования воронки все дно пещеры было занято озером. После обвала потолка на дне пещеры возникла первая «суша», занявшая 2/3 ее площади. При высоком уровне озера часть воды по каналу под полом пещеры вытекает на поверхность ниже входа в Провал. Бывали годы, что вода мощным потоком вытекала даже через тоннель.
Высокая температура озерной воды указывает на ее связь с большими глубинами. Колебания уровня воды в Провальном озере связаны с изменениями режима источников Пятигорска, видимо, их питает водой общая система трещин.
Провал был известен давно. У местных народов он имел плохую славу. Они думали, что в нем живет крылатый огнедышащий змей, пожирающий людей и вылетающий по ночам за своей добычей. Другим он представлялся жерлом потухшего вулкана. Во время стычек русских с горцами жертвы схваток сбрасывались в это «гиблое» место.
Во времена Лермонтова тоннель еще не был пробит, но диковинная воронка привлекла внимание посетителей курорта. Любители сильных ощущений иногда покрывали Провал досками и устраивали танцы над «адской бездной». Другие опускались вниз в корзине на канате и купались в озере, где вода считалась особо целебной.
