Hệ thống đảo trong phạm vi vườn quốc gia nằm trong đới địa chất duyên hải Bắc Bộ, hướng cấu trúc kiến tạo Đông Bắc - Tây Nam, song song với bờ biển của đất liền. Quần đảo trong phạm vi vườn quốc gia thuộc phức hệ nếp lồi Quảng Ninh. Trên các đảo Sậu, Ba Mùn, Trà Ngọ Nhỏ và phần Trà Ngọ “Núi đất” có nguồn gốc đá lục nguyên màu đỏ, với những thành phần cát sạn, thạch anh, kết cấu cát và cuội dạng quắc dít, pha lẫn trầm tích vụn thô. Những đảo khác, bao gồm cả phần lẫn trầm tích vụn thô. Những đảo khác, bao gồm cả phần lớn thân đảo Nam Trà Ngọ
Lớn là đá vôi, trầm tích. Đặc biệt hơn cả là đảo Trà Ngọ Lớn, một thân đảo có 2 nền địa chất, phần bắc đảo là núi đất trên nền đá lục nguyên (gồm các đá mẹ sa thạch, cuội kết, cát kết) chiếm diện tích hơn 1/3 toàn đảo, phần hang động và nhiều thung áng chịu ảnh hưởng ngập triều (nước biển ra vào qua các hang luồn theo chu kỳ nhật triều, tạo nên các thung áng ngập nước trong lòng dãy núi đá vôi ở đảo này).
Bản đồ VQG Bái Tử Long
(nguồn: Frontier Vietnam)
Trên các đảo là địa hình đồi núi thấp, hoặc những dãy núi đá từ 100 mét đến 300 mét (so với mặt biển), đỉnh cao 307 m trên đảo Ba Mùn, 282 m trên đảo Trà Ngọ lớn, 320 m trên đảo Trà Ngọ Nhỏ, 232 m trên đảo Sậu Nam. Sườn đảo phía đông của đảo Ba Mùn và Sậu Nam dốc đứng dạng vách dựng sát mép biển.
Ven chân các đảo có nhiều vũng, bãi gian triều đất bùn, hoặc nhiều bãi cát hẹp, bãi đá (do xô trượt từ núi xuống hoặc nổi tự nhiên), một số bãi đá gốc chân đảo rộng từ 30 mét đến 70 mét ngập triều theo chu kỳ. Một số vùng rộng, vừa có bãi bùn, vừa có bãi cát, bãi đá, vừa có chỗ sâu, cảnh quan đẹp, thuận lợi neo trú tàu thuyền, diện tích hàng héc ta như vũng Cái Quít, Vũng Ổ Lợn (đảo Ba Mùn), Lạch Cống giữa 2 đảo Trà Ngọ lớn và Trà Ngọ Nhỏ, Vũng Cái Đé (đảo Trà Ngọ Lớn phần núi đá vôi), bãi cát dài hàng cây số ở đảo Minh Châu - Cửa Đối - Hòn Trụi và đảo Quan Lạn.
Thềm đảo, đáy biển xung quanh các đảo trong phạm vi VQG có độ sâu không lớn quá 15 mét. Đường đẳng sâu theo máng dài nhất dưới biển là 13 mét phân cách 2 mép thềm đảo Ba Mùn và Cô Tô, khoảng cách bờ đông đảo Ba Mùn 10 km. Sâu trung bình phần thềm các đảo là 8 mét. Hai điểm sâu nhất được xác định là máng sụt trũng Cửa Đối và Cửa Vành (còn gọi là Cửa Nội) từ 14 mét đến 20 mét, dòng triều lên xuống có tốc độ lớn ở 2 cửa này tạo nên xâm thực mạnh gia tăng. Địa mạo thềm các đảo (còn gọi là phần đáy biển quanh các đảo) phạm vi VQG được chia 2 kiểu chính: Đồng bằng mài mòn ngầm và đồng bằng tích tụ có dạng địa hình kế thừa và bị xâm thực của dòng triều. Đồng bằng mài mòn ngầm ở phía Đông các đảo Sậu, Ba Mùn, hầu hết là những nền tảng đá gốc, cuội, sỏi kết. Đồng bằng tích tụ hầu hết dưới các lạch biển, trở vào phía bờ đất liền.
Trầm tích bờ và đáy biển vùng đảo trong phạm vi VQG là hệ thống tảng, phân bố ở phía đông quần đảo và ở 2 cửa Ối, cửa Vành. Tảng có thành phần đá gốc sa thạch, cát kết, cuội kết, thạch anh sạn và cát kết quắc dít, hiếm có tầng san hô. Phía bờ tây các đảo hầu hết là cát hạt nhỏ, ngập triều thấp, và nhiều hơn là bùn sét chiếm tới 45% , nơi phát sinh rừng ngập mặn.
Đất trên các đảo hầu hết thuộc loại đất Feralít vàng nhạt trên đá mẹ cát kết, cuội kết, tầng đất mỏng dưới 40 cm, nghèo chất dinh dưỡng và khô hơn. Từ độ cao địa hình từ 100 mét trở lên ở các đảo núi đất, phần nhiều tầng đất dầy và giầu dinh dưỡng, đặc biệt có rừng che phủ và độ ẩm cao. Chân các đảo (từ bình độ địa hình dưới 100 m, nơi độ dốc lớn, ven các suối lớn) tầng đất mỏng, bị xói mòn mạnh. Đặc biệt đất trên đảo Ba Mùn, Sậu Nam, Trà Ngọ nhỏ và phần núi đất phía Bắc đảo Trà Ngọ lớn còn tốt, thuận lợi cho tái sinh rừng tự nhiên và tác động hỗ trợ mạnh mẽ cho cây rừng sinh trưởng nhanh và trở thành rừng tốt.