C’est au Crétacé supérieur (fin de l’ère secondaire), il y a environ 70 millions d’années que commence la genèse du Plantaurel.

Un estuaire dépose une grande épaisseur de sable. Une immense plage en bordure de mer occupe toute la région. Par compaction ces sables formeront des grès peu perméables.

Au début de l’ère Tertiaire, au Paléogène inférieur (Thanétien) de 65 à 55 millions d’années, un golfe s’étend de l’Océan Atlantique jusque au-delà du Lauragais.
Au fond de se bras lagunaire, peu profond, il s’accumule plusieurs centaines de mètres de sédiments marins (débris organiques, minéraux…).
L’ensemble se consolida au cours des temps géologiques et cette vase indurée puis fossilisée formera les barres calcaires du Plantaurel et donc de la grotte.

Au début de l’Eocène (début Tertiaire, Paléogène moyen), il y a 55 à 36 millions d’années, la collision des plaques Ibérique et Eurasienne va provoquer un évènement majeur, la naissance des Pyrénées.

En avant du front nord pyrénéen, les formations tertiaires de la bordure du bassin aquitain ont été plissées lors cette compression pyrénéenne, en une succession de synclinaux et d’anticlinaux dissymétriques. Ces reliefs constituent le Plantaurel et, un peu plus à l’ouest du Mas d’Azil, les petites Pyrénées. Dans ces formations tertiaires, seul le Paléocène est calcaire et forme les collines qui structurent le Plantaurel. Ces calcaires sont pris entre des formations argileuses au dessous, et gréso-argileuses au dessus. Celles-ci favorisent le ruissellement des eaux en surface, qui ont érodé ces roches non consolidées et ont ainsi mis en relief les calcaires.

Les pressions tectoniques entrainent généralement la fracturation des roches calcaires particulièrement fissurables.

Du début de l’Oligocène jusque vers la fin du Miocène de -36 à -7 MA, des lacs et marécages couvrent une région qui s’étend du sud de l’Espagne au Massif Central.
Des dépôts argilo-calcaires s’accumulent sur plusieurs kilomètres d’épaisseur. Ils affleurent largement au nord du Plantaurel jusqu’au Massif central.

A la fin du Miocène (fin Tertiaire), il y a environ 6 MA, l’exhaussement de la chaîne pyrénéenne induit des reliefs. Ceux-ci sont parcourus par des torrents qui déposent sur le piémont des épandages de galets fluviatiles.
L’Arize a commencé à creuser sa vallée vers cette époque et des galets et des graviers siliceux sont déposés aux environs de Peyronnard et de Randouly au-dessus de la cluse de Sabarat.