Du Pliocène au Pléistocène moyen (Quaternaire), l’enfoncement saccadé de la rivière induit des phases de karstifications sous-jacentes au lit, dont la grotte de Peyronnard est un des témoins de cette phase ancienne.

Des circulations s’établissent dans l’axe synclinal de part et d’autre de la rivière.

Un peu plus tard, un vaste réseau de galeries s’établit entre le niveau de la grotte de Peyronnard et le tunnel actuel, ce sont les tronçons de conduits actuellement ouverts au public. Contrairement aux hypothèses anciennes présentant la formation de la grotte comme un regroupement de méandre, la grotte est une véritable percée hydrogéologique liée à l’évolution d’une vallée subaérienne dans un environnement calcaire. Les conduits se sont creusés en régime noyé comme le montre la présence de chenaux de voûte, ces formes plus ou moins mamelonnées visibles au plafond des cavités et qui sont des formes d’érosion, les galeries supérieures ayant d’abord été creusées par corrosion.

Au Quaternaire moyen à récent (anté-Würm), l’Arize est capturée par les conduits adjacents, le tunnel commence à se creuser. Des colmatages de la perte principale se produisent périodiquement obligeant l’Arize à réutiliser par débordement le col de Baudet.

Cette hypothèse s’appuie sur la présence d’une évolution lacustre de la plaine de Maury et un colmatage par remplissage quasiment complet des parties hautes de la grotte.

De la fin du Riss au Würm ancien, le tunnel devient suffisamment vaste, l’Arize abandonne définitivement le col de Baudet.

Au Mas d’Azil, la structure ne limite pas le développement de conduits en profondeur.
Des circulations d’eau existent actuellement sous le lit de l’Arize, elles sont alimentées pour parties par l’Arize et par les infiltrations issues du massif du Plantaurel, en rive gauche des secteurs de Milhorat, Bois de la Fagette et du Cap Del Pouech et en rive droite par le poljé de Lessé.