La source constitue une vasque profonde (d’où l’appellation de fosse) dans laquelle débouche une galerie noyée dont l’entrée haute de 2,5 mètres est visible depuis l’extérieur. Le réseau hydrogéologique souterrain a été exploré par des plongeurs malgré les difficultés créés par des boyaux étroits (étroitures) et une succession de profonds siphons nécessitant de fréquents paliers de décompression. La première exploration connue a été effectuée en 1955.
La galerie s´enfonce d’abord selon un angle de 45º jusqu’à la profondeur de 32 mètres.
Pour continuer l’exploration il faut franchir une chatière de 0,80 m sur 0,40 m.
Puis elle remonte à deux reprises à des profondeurs proches de 0 mètre avant de s’enfoncer progressivement jusqu’à -70 mètres à 370 mètres de l’entrée limite atteinte jusqu’ici par les plongeurs. Suite à des accidents mortels, la plongée souterraine dans la Fosse Dionne est strictement réglementée.