Sistem ima etažni raspored i sastoji se od Gornje i Donje pećine. U Gornju pećinu se kroz mali otvor ulazi u Koncertnu dvoranu, prostranu odaju visine 20 m, koja ima prirodno osvetljenje od dva vigleda na tavanici, a na nju se nadovezuje splet kanala i odaja. Gornja pećina je stanište kolonije slepih miševa, čiji tragovi se mogu zapaziti duž pećine. Donja pećina, iz koje izvire ponornica Banja, ima prostraniji ulaz. U pećini su pronadjene kosti pećinskog medveda, hijene, srndaća. Pećina Petnica je bila naseljena još u doba paleolita i sadrži bogato arheološko nalazište sa ostacima iz ledenog doba. Iskopani su i arheološki predmeti iz doba Rima, kao što su delovi vojničke opreme ali i kockice za igru, dok je u srednjem veku bila zbeg obližnjeg stanovništva, iz čijeg perioda su pronađeni brojni ostaci. Ispred ulaza u pećinu pronađeno je naselje iz neolita starosti 6000 godina, i brojno oruđe, oružije i keramika. Nedaleko od Petnice pronađen je fosil nepoznate vrste - srpski pelikan (Pellicanus serbica).

Na 300 metara od pećine nalazi se Istraživačka stanica Petnica i crkva podignuta na temeljima manastira koji su turci uništili u 18. veku. Udaljena je od Beograda 90 km, a od Valjeva 7 km. Prva arheološka istraživanja obavili su poznati srpski naučnici Josif Pančić i Jovan Cvijić.