Hình thái chủ yếu của địa hình khu vực huyện Vân Đồn là đồi núi thấp và đảo đá với diện tích khoảng 41.530 ha, chiếm 70% tổng diện tích đất tự nhiên của huyện. Một phần nhỏ diện tích là đồng bằng ven biển, chiếm 1,5% tổng diện tích đất toàn huyện. Như vậy, địa hình đồi núi chiếm phần lớn diện tích trên các xã đảo và ven bờ, địa hình đồng bằng chỉ là những dải nhỏ hẹp ven bờ biển trải dài từ bến phà Tài Xá tới xã Hạ Long.
Địa hình đáy biển tương đối đơn giản và bằng phẳng. Khu vực đáy biển giữa đảo Ba Mùn và đảo Cái Bầu do quá trình mài mòn, tích tụ xảy ra làm cho bề mặt có độ bằng phẳng nhất định. Vật liệu tích tụ chủ yếu là cát bột, sỏi sạn và một phần vụn vỏ sinh vật. Một số vùng nước sâu, cửa biển đáy tồn tại các rạn đá.
nên trong toàn bộ diện tích tự nhiên của huyện, diện tích đất không lớn, chủ yếu là diện tích mặt biển, thuận lợi cho phát triển kinh tế biển. Trên các đảo không có sông ngòi lớn, chỉ có vài con suối trên những đảo lớn. Người dân địa phương thường gọi các eo biển giữa các đảo với nhau và với đất liền là sông như: sông Voi Lớn nằm giữa đảo Cái Bầu với đất liền, sông Mang ở đảo Quan Lạn. Trên địa bàn huyện có hai hồ nhỏ là hồ Voòng Tre và hồ Mắt Rồng.
Huyện đảo Vân Ðồn, ôm trọn vịnh Bái Tử Long, có nhiều đảo đá vôi và những hang động đẹp, nối liền với vịnh Hạ Long - di sản thế giới. Các xã đảo tuyến ngoài giáp vịnh Hạ Long (tuyến đảo Vân Hải) có nhiều bãi tắm đẹp, nhiều hải sản, khí hậu trong lành và những di tích lịch sử văn hóa, có nhiều tiềm năng để phát triển kinh tế du lịch.