A Ferenc-hegyi-barlang járatainak nagy része felső-eocén nummulinás-diszkocyclinás mészkőben alakult ki. A legújabban feltárt alsó szintű szakaszokban már az eocén üledékek triász kőzetekre települő bázisrétegei is megtalálhatók. Emlékezetes látványosság az átmeneti rétegek kipreparálódott ősmaradvány tartalma, amit a fésűskagylók és tengeri sünök képviselnek főképpen. A járatrendszer a barlang nyugati részében ÉNy-DK-i, a keleti részben ÉÉNy-DDK-i és É-D-i irányok mentén alakult ki, míg a középső rész átmenetet képez. A járatok irányát előrejelző törésvonalak mentén az oligocén-miocén időszak során áramló magas hőmérsékletű vizekből kalcit (CaCO3) és barit (BaSO4) kristályok több generációja is kivált, ezek a kristályok jelenleg is számos helyen gyönyörködtetik a kíváncsi szemeket. A fő üregesedéshez a pannon végén, pleisztocén elején váltak ideálissá a feltételek, amikor az Ős-Ördög-árok lejtőin a kiemelkedés és a felszíni lepusztulás következtében a felszín közelébe került a karsztosodásra alkalmas hasadozott eocén mészkő és triász dolomit. A kőzetek nyitott hasadékhálózatában megindult a különböző mélységekből származó, különböző hőmérsékletű és kémiai tulajdonságú langyos és melegvizek feláramlása, ezáltal úgynevezett keveredési korróziós oldódás jött létre, kialakítva a hálózatos törésrendszer mentén a járatokat. A karsztvíz az oldott mészanyaggal a rés- és hasadékrendszerben valószínűleg elsősorban DNy-i irányba áramlott, ahol felszínen az akkori langyos- és melegvizű források fakadtak, itt a víz mésztartalma kiválva édesvízi mészkövet hozott létre (Gárdonyi G. és Endrődi S. utcák).
A barlang egészére jellemző a keskeny hasadék jelleg. A járatok szélessége uralkodóan 50-80 cm közötti, ennél szélesebb, pl. a VI. számú DK-i főhasadék, mely helyenként a 1,5 métert is meghaladja. A magasság ugyancsak tág határok között mozog: néhol alig 2 méter, máshol 10 méternél is magasabb. Jellemző, hogy a járatok főtéjében kialakult gömbfülke sorok szélessége mindenütt meghaladja a hasadék szélességét, akár többszörösen is. Az Omladékos-terem környékén, például 15 cm széles hasadék felett 1 m széles gömbfülke sor található. A legnagyobb egyedi gömbfülkék (Törekvés-út egyik oldaljárata, Rákóczi-dóm) átmérője a 3 métert is meghaladja. Létrejöttük minden valószínűség szerint a karsztvíz szintje feletti légtérben kondenzvíz korrózióval történt, a légteret ez esetben a vízből felszabaduló, magas CO2 tartalmú gáztér jelentette. A gömbfülkék egymás alatt (II. számú főhasadék), vagy egymás mellett (IV. számú főhasadék felső szintje, Rákóczi-dóm) egyaránt előfordulnak.
A barlangban ismert kagylós, oldásos formakincs (pl. VI. számú főhasadék) más budai barlangban nem ismert. Ezek feltehetően a felfelé áramló vizek oldó hatására keletkeztek.
A barlang jellegzetes oldásformái a félkör vagy teljes kör szelvényű csövek, ezek a legújabb elméletek szerint nagy CO2 tartalmú gázbuborékok intenzív feláramlása során jöttek létre. A csövek felett rendszerint gömbfülke-sorokat találunk. Helyenként szinte vízszintes főtéjű kiszélesedett csatornák is előfordulnak (Törekvés-úti-oldalág).
A barlang formakincsére jellemzőek az üregesedés után kialakult, néhol kiterjedt omlások (Omladék-terem), helyenként csak ebben lehet haladni. A barlang aljzatát általában a kőzet- és kiválás-törmelék jelenti, agyagfelszínt kevés helyen találunk. A Gilisztáknál és a Törekvés úti oldalágnál domború felszínt ismerünk, mely "krokodil hát" néven vonult a köztudatba.
