Localizada na zona poente da cidade de Ponta Delgada, a Gruta do Carvão, possui uma extensão actual de 1912 metros repartida por 3 troços, um a Norte (Troço Paím) com uma extensão de 880,2 metros, um intermédio (Troço dos Secadores de Tabaco, Rua de Lisboa),com um comprimento de 701,8 metros e um a Sul (Troço João do Rego) com 300 metros. Contudo documentos antigos e observações de campo indiciam uma dimensão muito superior à actualmente conhecida, podendo ter atingido dimensões na ordem dos 5 km de comprimento, desde o litoral até às proximidades da Serra Gorda, nos Arrifes.

A Gruta do Carvão enquadra-se numa região da Ilha de S. Miguel denominada geologicamente como "Complexo Vulcânico dos Picos", uma área de vulcanismo fissural, composta por cerca de 250 cones de escórias e por escoadas lávicas de natureza basáltica s.l. que se desenvolve grosso modo entre as Capelas e Ribeira Grande (a Norte) e Ponta Delgada e Lagoa (na costa Sul). Desenvolve-se numa extensa escoada basáltica s.l., com orientação geral N-S, que atingiu o mar na zona poente da cidade de Ponta Delgada e cujo centro emissor estará localizado na zona axial do Complexo Vulcânico dos Picos.

A idade da gruta, conforme datação pelo método C14 e pelos depósitos de materiais piroclásticos pomíticos (cinzas e lapilli), possivelmente emitidos do Maciço das Sete Cidades e/ou do Maciço do Fogo, que recobrem esta cavidade, está determinado para um intervalo compreendido entre os 5.000 – 12.000 anos. Atribuindo uma idade Holocénica à gruta do Carvão. Devido à sua localização, dimensão, à variedade de estruturas geológicas que podem ser observadas e aos fenómenos vulcânicos que a ela estão associados, foi classificada como Monumento Natural Regional através do Decreto Legislativo Regional Nº4/2005/A, de 11 de Maio.