Như đã đề cập ở trên, vịnh Vân Phong - Bến Gỏi được hình thành sau khi xuất hiện bán đảo hòn Gôm. Hiện nay các nét địa hình cổ vẫn còn giữ được khá rõ tại nhiều nơi trên bề mặt đáy vịnh. Về cấu trúc hình thái có thể phân biệt:
Phần trong vịnh Vân Phong là vụng Bến Gỏi, tương đối tĩnh, thông với phần ngoài qua một eo hẹp (Lạch Cổ Cò - đầm Môn - Cửa Bé). Phần ngoài là vịnh Vân Phong thông ra biển khơi.
Phân bố trầm tích tầng mặt vịnh Vân Phong tương đối đa dạng, song ưu thế thuộc về các trầm tích hạt mịn - bùn sét và bùn sét cát.
Trầm tích cát chứa graven và bùn sét phân bố phía Nam vịnh, từ phía Đông Bắc hòn Mỹ Giang xuống tới Hòn Hèo, độ sâu 20 - 23m. Kiểu trầm tích này thường có màu xám, xám sáng, chọn lọc kém thành phần cát bao gồm các vật liệu lục nguyên và vật liệu vôi (hàm lượng cacbonat thường trên 38 -39%). Thành phần graven gồm các mảnh đá (đá sót, đá trầm tích biến chất) và các mảnh vụn san hô, vỏ sò ốc, các mảnh đá thường có kích thước và hình dạng khác nhau, nhiều viên đạt tới 2 - 2,5cm, độ mài tốt đến trung bình, nhiều viên có góc.
Dựa vào cấu trúc hình thái địa hình và sự phát triển của khu vực cho thấy, kiểu trầm tích cát chứa graven và bùn sét vùng này thuộc kiểu trầm tích tướng chân rạn san hô.
Trầm tích cát phân bố thành phần dài hẹp dọc bờ tới độ sâu 2 - 3m (ở ven bờ phía Tây từ đèo Cổ Mã đến Ninh Thọ, bãi tắm Dốc Lết) hay 5 - 7m đến hơn 10m (dọc bờ phía Tây bán đảo Hòn Gôm kéo dài theo phần vịnh Đại Lãnh và khu vực phía mũi Đông Hòn Khói đến Hòn Mỹ Giang). Đây là thành phần trầm tích chủ yếu ở bãi tắm hiện nay.
Trầm tích cát thô - cát lớn màu xám, xám vàng bắt gặp ở khu vực quanh bãi cạn giữa mũi Đông Hòn Khói và Hòn Mỹ Giang. Ở đây chúng phân bố thành bao quanh đới rạn ranh giới giữa chúng với đới cát nhỏ bên trong rất rõ ràng ở độ sâu 10 - 11m và ở khoảng 350 - 370m từ bờ ra theo mặt cắt. Thành phần vật liệu bao gồm vật liệu lục nguyên và vật liệu sinh vật nổi. Hàm lượng cacbonat trong trầm tích thường đạt trên 25% với thành phần chủ yếu là vỏ xác sinh vật vôi (Hàm lượng cacbonat thường là 57%) đôi nơi có lẫn mùn bã và thực vật màu đen.
Cát nhỏ chọn lọc rất tốt có màu xám, xám tro phân bố thành dải hẹp ở phía Tây bán đảo hòn Gôm dọc bờ Tây vụng Bến Gỏi và một đới rộng khu vực từ mũi
Đông hòn Khói đến hòn Mỹ Giang. Ngoài ra còn gặp ở khu vực quanh bãi cạn giữa mũi hòn Khói và mũi Đông Bắc đảo hòn Lớn. Thành phần chính của cát nhỏ là thạnh anh, fenspat, các mảnh đá vụn, các khoáng vật nặng (epidot, granít, imenit, ziacon, manhetit) và vụn vỏ xác sinh vật vôi. Hàm lượng cacbonat trong cát nhỏ thay đổi theo từng khu vực: Ở phía Tây Bắc bán đảo hòn Gốm thường 5 - 7%; dọc bờ Tây vụng Bến Gỏi thường lớn hơn 20%, còn khu hòn Khói đến khu hòn Mỹ Giang là 10 - 15% có nơi tới 20%.
Cát bùn sét và bùn sét cát thường có màu xám, xám xanh (trong vụng Bến Gỏi, khu vực Đầm Môn) và xám vàng (vịnh VP) thành phần vật liệu cấp hạt cát chủ yếu là vụn nhỏ xác sinh vật, các khoáng vật thạch anh, fenspat và ít khoáng vật nặng. Hàm lượng cacbonat trong trầm tích thường đạt từ 20 - 30%.
Bùn sét là kiểu trầm tích phổ biến nhất, trong vụng Bến Gỏi và vụng Cổ Cò, chúng thường có màu xám xanh, độ ướt và độ dính cao. Ở vịnh khu vực giữa vịnh VP và phần ngoài lạch Cửa Bé, bùn sét có màu xám vàng do ảnh hưởng của dòng bồi tích dọc bờ ven biển miền Trung. Nhìn chung kiểu trầm tích này có độ chọn lọc tốt (S0 = 2 - 3), hàm lượng cacbonat trong thành phần trầm tích cao (20 - 27% trong vụng Bến Gỏi, và 15 - 20% ở vịnh Vân Phong).