Nhìn chung toàn bộ Khu bảo tồn có Dạng địa hình đồi thấp trên nền phù sa cổ và trầm tích biển là dạng chiếm diện tích chủ yếu, mang những nét đặc trưng của địa hình miền Đông Nam Bộ là đồi thấp bề mặt lượn sóng, địa hình tương đối bằng phẳng, thoai thoải từ 4 phía đổ vào trung tâm, tạo thành 4 vùng địa hình khác nhau như sau:
- Vùng bằng phẳng: Chiếm diện tích 9587.3 ha, trải rộng từ phía bắc đến phía nam, độ cao từ 20 – 50 m so với mặt biển, độ dốc bình quân từ 3 – 5 độ .
- Vùng đồi: Bao gồm một số ngọn đồi có độ cao tuyệt đối từ 60 đến 160m như: Hồng Nhung (118m) nằm ở phía bắc thuộc phân trường I Lâm trường Xuyên Mộc, cụm Hồ Linh (cao từ 100 – 162m) nằm ở ven biển thuộc tiểu khu 23. Khu vực Mộ Ông, Gái Ma ... ở phía tây nam thuộc tiểu khu 25. Tổng diện tích của vùng có địa hình đồi là 350 ha.
- Vùng hồ lòng chảo: Có diện tích khoảng 200 ha gồm các hồ trũng ven sông suối thường ngập nước mùa mưa và các hồ có nước quanh năm như : Hồ Linh, Hồ Tràm, Hồ Cốc, Hồ Nhám, Hồ Tròn và Hồ Núi Le.
- Vùng cồn cát ven biển: Diện tích 540 ha, chạy dọc trên 12 km bờ biển, ở khu bảo tồn thiên nhiên từ ấp Thuận Biên xã Phước Thuận đến bến lội xã Bình Châu. Dạng địa hình này bao gồm các cồn cát di động đã ổn định có thảm thực vật che phủ và cồn cát di động chưa có thảm thực vật che phủ có độ cao từ 30 – 60 m so mặt nước biển.
Các dạng địa hình khác nhau tạo cho Khu bảo tồn cảnh quan sinh động với các dạng: Núi, rừng, suối, hồ, biển từ đó hình thành các khu cư trú rất đa dạng cho các loài sinh vật. Đồng thời cũng là địa bàn thuận lợi cho các hoạt động nghiên cứu khoa học, giáo dục môi trường và tham quan du lịch.