地下河的形成主要經歷以下階段：
首先是碳酸鹽岩岩體因地殼運動、海陸變遷或岩漿運動等原因而受到破壞，產生大量的裂隙或破碎帶，為水流進入岩體內部製造通道。
當水流攜帶二氧化碳沿著裂縫或破碎帶進入岩體後，會落入裂縫底部做水平運動，同時對岩石進行溶蝕和沖刷，形成洞穴及通道。
隨著時間推移，水持續侵蝕，再加上岩體自重導致的坍塌，洞穴規模不斷擴大。
當大體同一高程的洞穴通道擴展並串通，匯集大量地下水並與地表河流貫通時，就形成地下河。
此外，地下河是具有自由水面的喀斯特地區的地下水，沿著地下裂隙和通道流動和排泄而形成的。一開始地下水沿細小裂隙流動，隨著不斷溶蝕沖刷，逐漸形成地下孔道，最終發展成為具有自由水面的地下河。地下河的水流主要由地表降水沿岩層滲流或由地表河流經落水洞進入地下河組成，少數由深源和遠源地下水補給。地下河常具有單獨的補給徑流與排泄條件，有時在同一含水層中可發育多條不連通的地下河。