Sở dĩ gọi là hang Ðầu Gỗ vì theo truyền thuyết xưa kể rằng: Trong cuộc kháng chiến chống quân Nguyên Mông, Trần Hưng Ðạo đã cho chuẩn bị nhiều cọc gỗ lim ở đây để cắm xuống lòng sông Bạch Ðằng, sau đó có rất nhiều mẩu gỗ còn sót lại nơi đây, vì vậy động mang tên là hang Ðầu Gỗ. Từ phía xa nhìn lại, cửa hang có màu xanh lam hình một con sứa biển, qua 90 bậc đá xây ta tới cửa động. Nếu động Thiên Cung hoành tráng khoẻ khoắn, hiện đại thì hang Ðầu Gỗ trầm mặc uy nghi nhưng cũng rất đồ sộ.
Hang được chia làm ba ngăn chính. Ngăn phía ngoài có hình vòm cuốn, trần hang là một bức “tranh sơn dầu” khổng lồ, trong đó vẽ phong cảnh thiên nhiên hoang sơ như những đàn voi đang đi kiếm ăn, những chú hươu sao ngơ ngác, chú sư tử lim dim ngủ… trong những tư thế vô cùng sinh động.
Phía dưới là một chú rùa đang bơi giữa bể nước mênh mông, những rừng măng đá, nhũ đá nhiều mầu với nhiều hình thù kỳ lạ tuỳ theo trí tưởng tượng phong phú của từng người. Ðứng dưới vòm hang bạn sẽ có cảm giác như đang đứng giữa một toà lâu đài cổ kính. Chính giữa lòng hang là một cột trụ chống trời khổng lồ, hàng chục người ôm không xuể, từ phía dưới chân cột lên trên được bàn tay điêu khắc tài tình của tạo hoá gọt giũa thành những hình mây bay, rồng cuốn, phượng múa, hoa lá, dây leo… Trên đỉnh cột, ta bắt gặp một vị tu sĩ mặc áo choàng, tay phải cầm gậy tích trượng trong tư thế tụng kinh, niệm Phật.
Qua ngăn thứ 1, du khách vào ngăn thứ 2 bằng một khe cửa hẹp. 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 lạ làm cho con người vừa sợ sệt, vừa tò mò. Tận cùng hang là một chiếc giếng tiên bốn mùa nước ngọt trong vắt. Khi nhìn lên phía trên trong ánh sáng mờ ảo, du khách sẽ nhận ra xung quanh là những bức thành cổ, trên đó đang diễn ra một trận hỗn chiến kỳ lạ, những chú voi đang gầm thét, người và ngựa chen chúc, gươm giáo mọc tua tủa, tất cả đang ở trong tư thế xông lên và bỗng dưng bị hoá đá chốn này.
Năm 1917, vua Khải Ðịnh lên thăm hang Ðầu Gỗ, ngỡ ngàng trước vẻ đẹp thần tiên của tạo hoá, ông đã cho khắc một tấm văn bia với nội dung ca ngợi cảnh đẹp của non nước Hạ Long và hang Ðầu Gỗ. Hiện nay, tấm bia đá vẫn còn ở phía bên phải cửa động.
