Địa hình, địa mạo phần đảo
Đảo Cái Bầu 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.Đảo này thuộc phức hệ nếp lồi Quảng Ninh, và ở đơn vị cấp nhỏ hơn là khối nâng đơn nghiêng Vân Đồn . Với những thành phần cát sạn, thạch anh, kết cấu cát và cuội dạng quắc zít, pha lẫn trầm tích vụn thô- nguồn gốc hình thành từ trầm tích cơ học.Một số núi trên đảo có tầng đá mẹ là đá vôi - có nguồn gốc hình thành là trầm tích hóa học . Như vậy đảo Cái Bầu có cấu tạo địa chất khá đặc biệt, một thân đảo có 2 nền địa chất với nguồn gốc hình thành rất khác nhau. 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 đảo. Phần Nam đảo là núi đá vôi, đặc trưng bởi địa hình castơ có nhiều hang động và thung áng . Do chịu ảnh hưởng thủy triều, các thung áng này hình thành thành các vụng kín trong lòng núi, tạo ra những cảnh quan rất đặc sắc và hấp dẫn.
Về địa hình: Đảo Cái Bầu địa hình đồi núi thấp, bao gồm những đỉnh núi cao dưới 300 mét so với mặt biển.Hình dáng này nhìn chung hẹp về chiều ngang và kéo dài theo hướng Đông Bắc – Tây Nam. Độ dốc của 2 sườn đảo có sự phân hóa rõ rệt.
Ven chân các đảo có nhiều vũng, bãi gian triều đất bùn, hoặc nhiều bãi cát hẹp và bãi đá ở chân đảo rộng từ 30 mét đến 70 mét, ngập triều theo chu kỳ. Một số vùng rộng hàng trăm héc ta, vừa có bãi bùn, vừa có bãi cát, bãi đá, vừa có chỗ sâu, cảnh quan đẹp, thuận lợi cho việc neo trú tầu thuyền.
Địa hình, địa mạo đáy biển
Nằm giữa các đảo là hệ thống các lạch biển có địa hình đáy phức tạp, được hình thành bởi quá trình mài mòn, xâm thực và tích tụ ngầm. Có 2 hệ thống lạch định hướng Tây Bắc - Đông Nam và Đông Bắc – Tây Nam. Hệ thống lạch theo hướng Tây Bắc - Đông Nam chia cắt các đảo chắn ngoài và đạt tới độ sâu 32m ở giữa hòn Sậu Đông và đảo Sậu Nam, 20m ở giữa đảo Sậu Nam và hòn Vành (Cửa Sậu), 22m ở giữa hòn Vành và đảo Ba Mùn (Cửa Nội), 20m ở giữa đảo Ba Mùn và Quan Lạn (Cửa Đối). Ở các lạch này, hoạt động xâm thực – mài mòn đáy mạnh mẽ, lộ ra các vật liệu thô và rất thô. Hệ thống lạch theo hướng Đông Bắc – Tây Nam tương đối rộng, sâu phổ biến 5 – 15m, nơi đây diễn ra quá trình hỗn hợp mài mòn – tích tụ .
Cấu trúc hình thái bờ đảo không đồng nhất do khác nhau về thành phần vật chất cấu thành đảo và động lực biển hiện đại. Bờ phía Đông của đảo chắn ngoài cấu tạo từ các đá vụn lục nguyên, tương đối thẳng và dốc, thường xuyên chịu tác động của sóng ở tất cả các mùa, nơi phát triển các dạng địa hình bờ kiểu vách (cliff) và bãi tảng.