A. Địa hình đáy vịnh
Do sự có mặt của bán đảo Hòn Gốm ở phía Đông Bắc, núi Tiên Du ở phía Nam cùng bán đảo Hòn Khói, Hòn Lớn, nên về mặt hình thái tổng thể của vịnh Vân Phong được cấu tạo bởi 3 phần chính: vịnh Bến Gỏi (độ sâu trung bình nhỏ hơn 20 m), vịnh Văn Phong (độ sâu từ 20 m đến 30 m) và Lạch Cổ Cò (độ sâu từ 15 m đến 20 m). Ranh giới phân định đáy vịnh Văn Phong và vịnh Bến Gỏi là dãy đồi ngầm, bãi cạn và đảo kéo dài theo hướng kinh tuyến. Đầm Môn bị phân chia với phần còn lại của vịnh bởi Hòn Lớn và phân cách với biển Đông bởi bán đảo Hòn Gốm [6] [21] [39] [53].
Vịnh Bến Gỏi: Nền đáy cứng bị chia cắt, gồ ghề lồi lõm. Đường đẳng sâu cách nhau tương đối đồng đều, gần như song song với nhau và song song với đường bờ. Do sự có mặt của dãy đảo: Hòn Bịp, Hòn Mạo, Hòn Được... đáy vịnh chia làm 2 phần dưới dạng hai rãnh máng tương đối bằng phẳng. Rãnh từ bờ Tây ra dãy đảo và rãnh kia từ đáy đảo đến bờ Đông. Đáy vịnh Bến Gỏi có độ sâu tăng dần từ bờ ra giữa và từ đỉnh ra cửa.
Vịnh Văn Phong: Nền đáy tương đối phẳng tạo thành một máng lớn có độ dốc 0 - 5', nghiêng dần về phía cửa vịnh. Các đường đẳng sâu phân bố không đều, phía Tây dày xít và gần song song với đường bờ, ở phía Đông giãn ra, mức độ uốn lượn tăng lên. Độ sâu tăng dần từ đỉnh ra cửa.
Lạch Cổ Cò và Đầm Môn: Lạch thông ra biển có chiều rộng trung bình khoảng 200 m, độ sâu trung bình 25 m. Đáy lạch có trắc diện hình chữ V, độ sâu tăng dần từ 2 bờ lạch ra giữa dòng, độ sâu lớn nhất trên 20 m. Đầm Môn có diện tích 3.500 ha có độ sâu trung bình tương tự lạch Cổ Cò và có cửa Lớn rộng 950 m, sâu trên 18 m và cửa Bé rộng 700 m, sâu trên 27 m.
B. Đặc điểm đường bờ
Đường bờ của vịnh Vân Phong là loại bờ vịnh mài mòn đang bị san bằng. Đặc điểm đường bờ vịnh Vân Phong được cấu tạo chủ yếu từ 3 dạng như sau [53] :
Dạng tích tụ cổ xen kẽ các mũi đá nhô ra vịnh: Dạng đường bờ này, thường có các bãi rộng, thoải được hình thành do quá trình di chuyển ngang bồi tích đáy. Bãi được cấu tạo bởi trầm tích cát nhỏ có độ chọn lọc tốt. Bên trên bãi là đụn cát có độ cao 4 - 5 m so với mực nước biển, có nơi trên 10 m. Nhiều đụn cát đã bị khai thác lấy đất canh tác hoặc đất ở. Xen kẽ với các bãi cát là các dải đá nhô ra khỏi vịnh và các dải san hô chết có bề rộng hàng trăm mét và kéo dài dọc bờ hàng ngàn mét. Đây là những đoạn đường bờ khá ổn định, có những bãi cát thoải dần, đang được khai thác làm các bãi tắm như đoạn bờ trên mũi Hòn Khói.
Dạng tích tụ trầm tích trên các bãi bồi cổ: Đây là các bãi bồi tụ trầm tích lên trên nền các bãi bồi cổ, diện tích hẹp, phân bố ở bờ Tây vịnh. Thành phần trầm
tích bề mặt là đất cát, sét, mùn bã hữu cơ từ xác sinh vật được các sông, suối nhỏ ven bờ vận chuyển ra vịnh.
Dạng địa hình bờ đảo và bán đảo: Phần lớn các đảo trong vịnh được cấu tạo từ đá trầm tích biến chất, bồi tụ trên bề mặt lớp đất đỏ feralit có thực vật che phủ. Bao quanh đảo thường có thềm đá san hô rộng, chỉ một vài nơi có vách đá dựng đứng. Xen kẽ các bãi đá là các bãi cát ven bờ đảo, khá yên sóng, phù hợp làm bãi tắm.
C. Địa hình dải đất ven bờ và trên các đảo
Địa hình trên cạn của dải đất ven bờ các đảo, bán đảo khá đa dạng với các bãi biển, cồn cát, núi cao hay các dải đất cát bằng phẳng ven bờ. Nhìn chung, địa hình khu vực trên cạn có tính chất phân bậc rõ nét, thành các bậc địa hình có độ cao: trên 1.200 m, 1.200 - 900 m, 800 - 600 m, 400 - 300 m và thấp hơn 100 m. Bậc thấp hơn 100 m chủ yếu là đồng bằng tích tụ vật liệu có nguồn gốc biển - gió. Trong đó, có các đụn cát có tuổi trẻ nhất (các đụn cát đỏ, cát trắng) là loại địa hình nguồn gốc tương tác gió - biển, có tính di động cao hình thành trên bán đảo Hòn Gốm.
Vịnh Vân Phong được che chắn tốt và kín gió, do phía bờ Bắc và bờ Tây có các dãy núi có độ cao trung bình 700 m che chắn; Bờ phía Đông Nam có dãy núi cao trung bình 400 m, chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, kéo dài 20 km từ nam mũi Hòn Khói, che chắn. Phía biển có các dãy núi nhỏ và cồn cát kéo dài trên bán đảo Gốm và trên Hòn Lớn che chắn [34].
D. Đặc điểm trầm tích tầng mặt
Trầm tích tầng mặt tương đối đa dạng, song ưu thế thuộc về các trầm tích hạt mịn - bùn sét và bùn sét cát.
Trầm tích cát chứa graven và bùn sét phân bố phía Nam vịnh Văn Phong, từ Đông Bắc mũi Hòn Khói tới đảo Mỹ Giang, ở độ sâu 20 - 23 m. Kiểu trầm tích này thường có màu xám, xám sáng, chọn lọc kém thành phần cát bao gồm các vật liệu lục nguyên và vật liệu vôi. Thành phần graven gồm các mảnh đá (đá sót, đá trầm tích biến chất) và các mảnh vụn san hô, vỏ sò ốc, các mảnh đá thường có kích thước
và hình dạng khác nhau, nhiều viên đạt tới 2 - 2,5 cm, độ mài tốt đến trung bình, nhiều viên có góc, thuộc kiểu trầm tích chân rạn san hô.
Trầm tích cát mịn phân bố thành phần dài hẹp dọc bờ tới độ sâu 2 - 3 m (ở ven bờ phía Tây từ đèo Cổ Mã đến Ninh Thọ), hay ăn ra vịnh tới độ sâu 5 - 7 m (bãi tắm Dốc Lết) đến hơn 10 m (dọc bờ phía Tây bán đảo Hòn Gốm kéo dài ra Đại Lãnh, hoặc phía Đông mũi Hòn Khói đến đảo Mỹ Giang).
Trầm tích cát thô màu xám, xám vàng phân bố thành các đới quanh bãi cạn từ phía Đông mũi Hòn Khói đến đảo Mỹ Giang, hay bao quanh đới rạn san hô ở độ sâu 10 - 11 m và kéo dài khoảng 350 - 370 m từ bờ ra vịnh. Thành phần vật liệu bao gồm vật liệu lục nguyên và vật liệu sinh vật nổi, một số khu vực có lẫn mạnh vụn mùn bã hữu cơ màu đen.
Trầm tích cát bùn sét và bùn sét cát có màu xám, xám xanh phân bố trong vịnh Bến Gỏi và Đầm Môn. Trầm tích cát bùn sét và bùn sét cát có xám vàng phân bố ở vịnh Văn Phong. Thành phần vật liệu cấp hạt cát chủ yếu là mảnh vụn hữu cơ nhỏ, các khoáng vật thạch anh, fenspat và ít khoáng vật nặng.
Trầm tích bùn sét phân bố phổ biến ở khu vực giữa vịnh Bến Gỏi, vịnh Văn Phong, Đầm Môn và phần ngoài lạch Cửa Bé. Thành phần bùn sét có màu xám vàng, độ ướt và độ dính cao [6] [34].