ถ้ำอยู่ในเขาของกลุ่มเขาถ้ำลอดใต้ เป็นภูเขาหินปูนในอ่าวพังงาในแนวเทือกเขาภูเก็ต ตัวถ้ำอยู่สูงกว่าระดับน้ำทะเล ประมาณ 10 เมตร ภูมิประเทศโดยรอบถ้ำเป็นป่าชายเลน มีลักษณะเป็นอ่าวภายใน
ภายในถ้ำ โปร่งมีอากาศและแสงสว่างเข้าไปในถ้ำได้หลายทิศทาง ลมพัดผ่านตลอด มีหินงอกหินย้อยภายในถ้ำ มีลักษณะเป็นถ้ำที่แท้จริง ทางเข้าถ้ำหันหน้าไปทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือมีความลาดชันประมาณ 45 องศา หน้าถ้ำกว้างพอควร ภายในแบ่งเป็น 2 คูหาใหญ่ มีทางเข้า 2 ทาง ทั้งสองคูหาเดินทะลุถึงกันได้ มีความกว้างขวางและเพดานสูง
หลักฐานทางโบราณคดี
พบเศษกระดูกมนุษย์ และกองเปลือกหอยแครง (Arcidae) จำนวนมากกองสุมอยู่บริเวณพื้นถ้ำ
ภาพเขียนสี
ภาพเขียนมีปรากฏในถ้ำทั้งสองคูหาตาม
ฝาผนังถ้ำและเพดานเป็นจุดๆ ไปภาพเขียนกลุ่มใหญ่อยู่บนฝาผนังถ้ำด้านทิศตะวันตกเฉียงใต้ในคูหา 2 เขียนต่อเนื่องกันตลอดแนวยาวผนัง
ลักษณะภาพเขียนสีที่ถ้ำผีหัวโตนี้แตกต่างไปจากภาพเขียนสีที่พบในที่อื่นๆ ในประเทศไทย ภาพที่ปรากฏเป็นภาพคน ภาพสัตว์ประเภท นก ไก่ ปลา ปลาหมึก จระเข้? เม่น? และกุ้ง ภาพมือและเท้า? และภาพลายเส้น ซึ่งอาจเป็นภาพเครื่องมือเครื่องใช้ เช่น แห หรืออวน และเรือ เป็นต้นณ