Die Segeberger Kalkberghöhle entstand vermutlich in den letzten 5.000 Jahren durch allmähliche Auslaugung in einem „stehenden“ Wasserkörper im Bereich des im Kalkberg vorhandenen Karstwasserspiegels. Daher ist die Höhle als eine phreatische Laughöhle anzusehen.
Vermutlich hat der benachbarte Kleine Segeberger See, ein auf den ersten Blick unscheinbares Gewässer am Fuße des Kalkbergs (tatsächlich aber eine mit Wasser gefüllte Doline), zumindest zeitweilig als Vorfluter für die Höhle gewirkt und so durch die Zufuhr frischen mit Gips ungesättigten Wassers die Laugkonvektion des Wasserkörpers am Laufen gehalten. Hierauf deuten Funde von Süßwasserschneckengehäuset im Inneren der Höhle hin . Irgendwann muss sich allerdings die Verbindung zwischen Kleinem Segeberger See und der Höhlen verschlossne haben, da heute keine Verbindung mehr besteht.
Ein kennzeichnendes Merkmal der Kalkberghöhle ist das Laugprofil, das in vielen Bereichen deutlich zu sehen ist. In diesen Bereichen wird die Höhle von einer horizontalen Decke nach oben abgeschlossen, was typisch für Laughöhlen ist. Zusätzlich gibt es einige Einsturzkuppeln und labyrinthartige Gänge.
Es ist unbekannt, wann genau und unter welchen Umständen das Wasser aus der Segeberger Kalkberghöhle abgelassen wurde, aber es gibt Vermutungen, dass die Bohrungsgruben, die in der Nähe der Höhle im 19. Jahrhundert gemacht wurden und letztlich gescheitert sind, dazu beigetragen haben könnten. Diese Probebohrungen sollten Steinsalz gewinnen, aber sie beeinträchtigten den Wasserkörper des Kalkbergs so sehr, dass er sich deutlich absenkte. Obwohl diese Vermutung nicht bewiesen ist, sind die Bohrungsgruben auf jeden Fall überflutet worden.
Eine andere Möglichkeit ist, dass die Absenkung des Seespiegels beim Großen Segeberger See zum allgemeinen Absinken des Grundwasserspiegels im Bereich des Kalkberges geführt hat und letztlich die Höhle leerlaufen ließ.
