Đặc điểm địa chất
Khu vực Cát Bà cũng như phần Đông Bắc Việt Nam có lịch sử phát triển địa chất lâu dài, từng là một bộ phận của cấu trúc uốn nếp caledoni đánh dấu sự kết thúc chế độ địa máng biển sâu Karstzia vào cuối kỷ Silua.
Các khối đá vôi này có tuổi trung bình là các bon muộn - pecmi (250 - 280 triệu năm). Cấu tạo dạng khối, đôi khi phân tầng khá mỏng, màu xám hay xám trắng nằm xen kẽ với đá vôi silic. Chúng có đầy đủ những dạng của một miền Karst ngập nước biển, do tác động của nước mặt và nước ngầm đã tạo ra một hệ thống các hang động ở các độ cao khác nhau (4m, 15m và 25 - 30m). Do các hoạt động của sóng biển đã tạo ra các ngấn sóng vỗ ở tất cả các chân đảo đá vôi vùng Cát Bà và các mái hiên mài mòn dạng dài và hẹp bao quanh chân, có nơi gập ngấn sóng kép ở mức 3,5 - 4m và 1,0 - 1,5m. ở các vùng kín, sóng biển còn tạo ra các tích tụ cát rất sạch, bao quanh các đảo nhỏ. Đó là các bãi tắm mini rất lý tưởng cho các dịch vụ du lịch tắm biển.
Về phía Bắc và Tây Bắc đảo Cát Bà còn có một diện tích khá lớn thành tạo đệ tứ không phân chia (Q) tạo nên dạng đồng bằng ven biển, chúng được thành tạo do phù sa sông biển. Lớp trầm tích phủ lên trên khá dày (> 2m), dưới sâu hơn là phù sa hạt thô (độ sâu 5 - 10m) chủ yếu là sỏi cuội và cát... Sát biển hơn (nơi hàng ngày chịu ảnh hưởng của nước triều) có sú, vẹt, đước, trang, mắm, bần... mọc dầy đặc phủ kín hầu hết diện tích này.
Đặc điểm thổ nhưỡng
Kết quả điều tra thực địa, cho thấy các xã trong và ngoài VQG Cát Bà vì nền đá mẹ hầu hết là đá vôi cùng với các điều kiện địa hình Karst và khí hậu nhiệt đới ẩm nên đã hình thành những loại đất chính như sau:
Đất Feralit đỏ nâu phát triển trên đá vôi: Đất màu đỏ nâu, cấu tạo hạt rất chắc, đất tốt, thiếu nước, đất có phản ứng trung tính, ít chua và khá giàu mùn, tầng đất chỉ dày 30 - 40 cm. Phân bố trên sườn ít dốc hay trong hốc đá vôi, có nhiều tại các xã Trân Châu, Gia Luận, Việt Hải.
Đất Feralit nâu đỏ dốc tụ chân núi đá vôi: được hình thành do sườn tích đất từ đỉnh và sườn núi trượt xuống. Đất có màu vàng đỏ, thường ẩm, tầng dầy từ 50 - 100m, có phản ứng trung tính, cấu tượng viên hơi chặt, thành phần cơ giới nặng, giầu mùn, phù hợp cho các thảm thực vật rừng phát triển. Phân bố hầu hết các xã trong quần đảo, đất thích hợp trồng cây ăn quả như Cam, Quýt, Nhãn Vải.
Đất Feralit nâu vàng phát triển từ các sản phẩm phong hóa đá vôi dốc tụ hỗn hợp: Đất màu nâu vàng, có phản ứng trung bình, ít chua, giàu mùn, thường bị khô hạn vào mùa khô, nơi thấp có thể bị úng nước tạm thời vào ngày mưa lớn Phân bố ở các thung lũng rộng có nước chảy trên mặt như thung lũng Trung Trang, Việt Hải, Gia Luận, Đồng Cỏ.... Đất này đã được sử dụng để trồng rừng, cây ăn quả và hoa màu.
Đất dốc tụ thung lũng: Được phân bố trong các thung lũng, giếng Karst. Đất có màu nâu đến vàng nhạt, tầng dày 80 - 100cm. Giầu mùn, có phản ứng trung tính đến chua. Mùa mưa có thể bị ngập nước tạm thời, mùa khô thiếu nước. Một số diện tích đã được khai phá trồng lúa và hoa màu.
Đất bồi chua mặn: Đất này là loại đất hỗn hợp biển, đầm lầy ở bãi triều cao. Phân bố ở xã Xuân Đám về phía biển, sau này được đắp đê ngăn mặn, cải tạo để cây lúa 1 - 2 vụ.
Đất mặn Sú vẹt: Bùn lỏng, ảnh hưởng của thuỷ triều, rất mặn. Phân bố tập trung chủ yếu vùng Cái Viềng, Phù Long và rải rác ở vài nơi quanh đảo (thuộc bãi triều thấp). Tại đây hình thành rừng ngập mặn khá tốt và là hệ sinh thái độc đáo của đảo Cát Bà.