המצוק הארוך שבו שוכנת מערת שמשון בנוי מסלעים קשים של גיר ושל דולומיט מתצורת כסלון, התצורה האחראית להיווצרותם של המצוקים הזקופים והמרשימים של הרי ירושלים. השביל שלנו מתגבר על המצוק בעזרת מדרגות חצובות, חלקן כנראה קדומות, וביתדות התקועות בסלע. במורד המצוק מקדם את פנינו שביל מסומן בסימון "שקוף" (שני פסלים לבנים ללא צבע ביניהם). זהו השביל העולה מעט ומוביל למערה.
סמוך לסימון "השקוף" בנוי קיר אבן. הצצה (זהירות!) אל מעבר לו מגלה שזהו דופן של מאגר מים ענק, הנשען בצדו השני על קיר המצוק. משום מה אין מדרגות שיורדות למאגר. לא מדדתי, אבל על פי הערכה, עומקו כ-4 מ', אורכו כ-10 ורוחבו כ-7 מ'. נראה כי בוני המאגר ניצלו מערה טבעית, חצבו והרחיבו אותה לצורכיהם. הם לא התעצלו, בנו קיר גם בקיר המצוק וטייחו אותו, משום שהמצוק הסדוק של תצורת כסלון נוטה לאבד מים.
מערת שמשון נמצאת כמה פסיעות מהבור. זוהי מערה גדולה מאוד. גדרות אבן הבנויות בה, חציבות קדומות ומדרגות מעידות כי שימשה למגורים. מבט אל מרומי הדופן המערבית של המערה מגלה פתח של כוך, שאולי שימש למגורים.
נראה כי במערה התגוררו בתקופה הביזנטית נזירים מתבודדים. הם העדיפו להתגורר במצוקים ובמערות משום שבדרך כלל לא הפריעו כך לאיש וגם משום שסביבת מגורים זו הקלה את השאיפה שלהם להתרחק מחברת בני אדם. שם המערה נקשר בשמשון ללא שום סיבה ממשית, מלבד זו ששמשון הגיבור נזכר בתנ"ך משוטט באזור נחל שורק.