Hang được chia làm ba ngăn chính. Ngăn phía ngoài có hình vòm cuốn tràn trề ánh sáng tự nhiên, trần hang là một bức “tranh sơn dầu” khổng lồ, mô tả phong cảnh thiên nhiên hoang sơ với những rừng măng đá, nhũ đá nhiều mầu tạo nên nhiều hình thù kỳ lạ tuỳ theo trí tưởng tượng phong phú của mỗi người: những đàn voi đang đi kiếm ăn, những chú hươu sao ngơ ngác, chú sư tử lim dim ngủ…, phía dưới là một chú rùa đang bơi giữa bể nước mênh mông. Đứng dưới vòm hang ta có cảm giác như đang đứng giữa một toà lâu đài cổ kính, có lối kiến trúc đồ sộ và hùng vĩ.
Vượt qua ngăn thứ nhất, qua một khe cửa hẹp, ta sẽ bước vào ngăn thứ hai của hang. ánh sáng chiếu vào đây mờ ảo, những bức tranh mới lạ hiện lên long lanh huyền bí. Những chùm hoa đá lúc ẩn lúc hiện, những hình ảnh vừa quen thuộc vừa xa lạ,… tạo cho con người vừa sợ sệt vừa tò mò.
Tới ngăn thứ ba của hang, lòng hang lại đột ngột mở rộng. Tận cùng hang là một chiếc giếng tiên bốn mùa nước ngọt trong vắt, chảy tràn trề. Bất giác ta nhìn lên phía trên trong ánh sáng mờ ảo, ta nhận ra bốn xung quanh là hình ảnh toà thành cổ, trên đó đang diễn ra một trận hỗn chiến của những chú voi, ngựa đang xung trận, người và ngựa chen chúc, gươm giáo tua tủa, tất cả như đang xông lên và bỗng dưng bị hoá đá.
Sở dĩ gọi là hang Đầu Gỗ, theo truyền thuyết xưa kể rằng: Trong cuộc kháng chiến chống quân Nguyên Mông, Trần Hưng Đạo đã cho chuẩn bị nhiều cọc gỗ lim ở đây để cắm xuống lòng sông Bạch Đằng, tạo nên một trận thuỷ chiến vang lừng trong lịch sử. Sau đó còn rất nhiều mẩu gỗ sót lại vì vậy hang mang tên là hang Đầu Gỗ.
Lại có tên gọi là hang Giấu Gỗ vì theo truyền thuyết đây chính là nơi Trần Hưng Đạo cho giấu các cọc gỗ lim để chuẩn bị cho trận chiến Bạch Đằng chống quân Nguyên – Mông.
Nếu động Thiên Cung hoành tráng tinh tế, hiện đại thì hang Đầu Gỗ trầm mặc uy nghi và rất đồ sộ. Cuốn Merveille de Monde (kỳ quan thế giới) của Pháp xuất bản năm 1938 chuyên về du lịch giới thiệu các danh thắng nổi tiếng thế giới đã gọi hang Đầu Gỗ là Grotte des merveilles (động của các kỳ quan). Điều đó hoàn toàn chính xác.
Hang Đầu Gỗ như tập trung được một quần thể kiến trúc cổ xưa, Vẻ đẹp hoang sơ và tĩnh mịch với nhiều cột đá, trụ đá, măng đá nhỏ nhắn, cao vút như muốn vươn tận trời xanh…
