A Keszthelyi-hegység sajátossága, hogy a múltban rendkívül vízszegény vidék volt. Csak mély kutak ásásával sikerült a települések lakóinak tiszta, egészséges vízhez jutniuk. Tóth Lajos kútmester 56 m mélységet ért el kútásással, amikor 54 m-es mélységnél szerteágazó, valószínűleg vízmosástól eredő, barlangszerű nyílásokra bukkant a cserszegtomaji Szent Anna-kápolnától 46 m-re. A vállalkozó Tóth Lajos, továbbá Dér Rezső községi főjegyző és Lakos Tibor reálgimnáziumi tanár járta be először az üreget. Vízszintesen mintegy húsz métert haladtak előre, amikor egy négy-öt méter hosszú, négy méter magas terem tárult eléjük. A Földtani Intézet igazgatósága Rozlozsnik Pál főgeológust bízta meg azzal, hogy a barlang előzetes megtekintése alapján a további munkálatokra indítványt terjesszen elő. A szakértő 1931. január 13-án tekintette meg a még mélyítés alatt álló kútból nyíló barlangot. Összesen három, szűk járatokkal összekapcsolt termet nézett meg, tovább nem ment.

A kútbarlangról a turista és szakirodalmi említéseken kívül újra 1952-ben lehet hallani, amikor keszthelyi barlangkutatók kis csoportja az addig 150 m hosszúnak tartott barlangot - közel egynapi munkával, a barlangfalak átbontásával - több mint 500 m új, termeket is tartalmazó járatrendszerrel növelte meg. A már tekintélyes hosszúságú és különleges földtani helyzetű barlang megóvása érdekében 1953-ban Zákonyi Ferenc, a Veszprém Megyei Idegenforgalmi Hivatal vezetője azzal a kéréssel fordult az Országos Természetvédelmi Tanácshoz, hogy a barlangot nyilvánítsák védetté. Miután a közölt közel ezerméteres barlanghosszúságot a hivatal túlzottnak tartotta, Venkovits István szakértőt küldte a helyszínre. A nagy remények hamar szertefoszlottak, mert a szemle jegyzőkönyve szerint a barlang hosszúsága az újonnan felfedezett részekkel együtt a száz métert nem haladja meg ... Mindez a barlang idegenforgalmi bekapcsolása ellen szól. A különleges földtani alakulat védetté nyilvánítását a szakértő javasolta. Mint a részletes barlangleírásból kiderül, a százméteres hosszúság nem elírás volt, hanem az akkor bejárt "tágas" főbejárat mindössze 85,2 m-t tett ki.

A barlangrendszer feltárására 1965. június 13-a és 31-e között a budapesti Toldy Ferenc gimnázium csoportja tett kísérletet Mikus Gyula vezetésével. Az expedíció 22 tagból állt, s a kútba csörlő segítségével, ejtőernyős hevederbe kötve engedték le a kutatókat. A víz felett a barlang nyílásánál állványzatot építettek, amelyről könnyen és biztonságosan lehetett az üregbe bejutni. Összesen 250 m járatot térképeztek fel, de a ténylegesen feltárt szakaszok összhosszúságát 800 m-re becsülték. Javasolták, hogy a kútbarlangot a későbbiekben a terület nagy kutatójáról, Dornyay (Darnay) Béláról nevezzék el.

A felmérés tanúsága szerint tehát már legalább 250 m hosszú a kút barlang labirintusa, de még mindig nem lehetett megbízhatóan tudni, hogy mekkora is a barlang tulajdonképpeni hosszúsága. Legújabban 1980-ban a székesfehérvári Alba Regia csoport Kárpát József vezetésével, kétszer háromnapos föld alatti tábor keretében, feltérképezte a Cserszegtomaji-kútbarlangot. Összes hosszúságát mintegy 1400 m-re becsülték, és ebből 1155 m-t felmértek és térképen ábrázoltak is. Tapasztalataik szerint további szakaszok feltárására is van lehetőség, ami igazolódott is, mert 1980 decemberében már 1780 m új járatot tudtak térképen ábrázolni.

A barlangba úgy jutunk, hogy előbb a kút betongyűrűvel kifalazott szűk aknáján kell leereszkednünk 51 m mélységbe. A bejárat alatt 13 m-rel van a jelenlegi kútfenék. A kút falából nyíló bejárattól kiindulva délkeleti irányba, előbb a már régebben ismert két terembe érünk, amelyet ma Lovassy- és Helikon-teremnek neveznek. Az utóbbi végpontjától két irányba mehetünk: északkeletre a Szürke-terem felé, de a labirintusrendszer számtalan irányban elágazik, vagy délkelet felé, a kacskaringós, szűk járatrendszer egyikén. A Medikus-ágon át a barlang egyik nagy termébe, a Toldy-terembe érünk. Ebből számos, ember magasságú szűk folyosó vezet a szélrózsa minden irányába, majd lealacsonyodva, törmelékkel és dolomitporral feltöltve érnek véget. A Medikus-ág kezdetéhez visszatérve, délkelet felé haladva a Meteor-ág elvezet a bonyolult alaprajzú Szabó Pál Zoltán-terembe. Ez a legnagyobb a barlangban, mintegy 17 m hosszú és 3-4 m magas.

A Cserszegtomaji-kútbarlang földtani felépítésének első leírását a felfedezést követően, 1931-ben Rozlozsnik Pál már megadta. Szerinte a kúttal, egészen a barlang megnyitásáig, a pannon emeletet harántolták. A 32 m-es mélységig kihozott anyag az összefüggő hányó tanúsága szerint kékesszürke agyag és lemezesen széthulló homokkő. Ezek a kőzetek helyenként piritkristályokat is tartalmaznak. A kút 32. m-e után következett - a kútmester bemondása szerint - először a kékesszürke, majd pedig sárgásszürkés-fehéres kvarchomokkő, mely rideg és szívós kőzet a barlangjáratok fedőkőzete. A barlangjárat alatt azután porosan széthulló felső-triász korú dolomit következett, úgyhogy a barlangjárat a fedő pannon korú kvarchomokkő és a fekvő felső-triász korú dolomit határlapja mentén fejlődött ki. Ugyanekkor az is feltűnt, hogy a homokkőben szenesedett növényi maradványok, illetve gipszkristályok fordulnak elő. Ugyanezt 1948-ban Szentes Ferenc vizsgálatai is megerősítik, mert megállapítja, hogy a kovás homokkő hasadékain gyakori a gipszkivirágzás, amely valószínűleg a pirites rétegeken átszivárgó víz hatására alakult ki. Felfigyel arra, hogy a termekben a fedő homokkő sajátságos töbrös, tölcséres térszínre települt. A tölcsérek sűrűn sorakoznak néhány méterre egymástól. Eredetileg a pannont megelőzően töbrösen, tölcséresen karsztosodott a szabad dolomitfelszín, amelyet befedett a pannon agyag és homok. A későbbi hévizek hatására a kőzethatáron a dolomit elporlott, a homokkő pedig kovasavval keményre itatódott át.

A barlang jelenleg is elfogadott hévizes keletkezését legkorábban Dornyay Béla vetette fel 1947-ben, annak ellenére, hogy kezdetben Rozlozsnik Pál nyomán az egykori karsztvízszintet tette felelőssé. Rámutatott arra, hogy a kútbarlang a hévíz egyik legrégebbi feltörési pontja volt ezen a területen. A környék hévizes nyomainak kutatásával sikerült rekonstruálnia a ma Hévízen feltörő melegvíz egykori forrásszintjeit. 360 m tszf. magasságban a pannon időszak végén, esetleg az alsó-pleisztocénban a rezi Várhegyről fakadtak a források. Második feltörési pont a 130,5 m magasságban fekvő Cserszegtomaji-kútbarlangban, a harmadik a Biked-tetőn lehetett az alsó-pleisztocénban. A negyedik forrásszint a Dobogó-domb 145 m-es magasságában a középső-pleisztocénban következhetett be, míg a legutolsó szint a mai Hévízi-forráskráter, 110 m-en.

Leél-Őssy Sándor több cikkben foglalkozott a Cserszegtomaji-kútbarlang kialakulásával, morfológiájával. Szerinte a hévízfeltörés alacsonyabb szintre szállásával a kútbarlang szárazzá vált, további fejlődése megszűnt, pusztulásnak indult. Ez elsősorban eltömődésében nyilvánult meg, amely nem ment gyorsan a barlang zártsága miatt, mert csak a dolomitpor és a mennyezetről lehulló törmelék tölti ki. Valószínűnek tartja, hogy a mai járatok csak a barlang felső szintjét képezik, s ezeket eredetileg függőleges aknák kötötték össze az alsóbb szintekkel. A hévforráskürtők azonban már teljesen eltömődtek, így feltárásukra kevés remény van.