Theo các nhà khoa học, về mặt địa chất có thể xác định Vịnh Hạ Long nằm gọn trong phạm vi gồm: TP Hạ Long, TX Cẩm Phả, vịnh Cửa Lục và một phần huyện Vân Đồn. Đảo trong Vịnh Hạ Long có hai loại: đảo đá vôi và đảo phiến sét tập trung trong hai vùng chính là Vịnh Bái Tử Long và Vịnh Hạ Long. Về mặt địa mạo, Vịnh Hạ Long nổi bật như một tuyệt tác mỹ thuật với sự đa dạng của các đảo, các hang động nổi tiếng.
Nhưng nếu tách rời phần lòng Vịnh Hạ Long khỏi phần đất liền và các khu vực lân cận thì không thể thấy được giá trị về cấu trúc và lịch sử phát triển địa chất ở đây.
Những buổi học ngoại khoá về địa chất, địa mạo Vịnh Hạ Long luôn đem lại cho các thầy, cô giáo và học sinh những khám phá thú vị.
Hơn 100 năm qua đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học về địa chất, địa mạo của Vịnh Hạ Long đã được công bố hoặc còn đang lưu trữ. Theo các nhà khoa học, hai giá trị tiêu biểu nhất về địa chất của Vịnh Hạ Long đó là sự rõ ràng về trình tự địa tầng và quan hệ địa tầng; rõ ràng về các yếu tố cấu trúc kiến tạo. Về cấu trúc địa chất, Vịnh Hạ Long thuộc đới phức nếp lồi, với thành tạo cổ nhất là các trầm tích Óc-đô-vít thượng - Si-luya hạ có trên khu vực quần đảo đảo Cô Tô. Trầm tích này là một hệ xen kẽ dạng nhịp của các đá lục nguyên và đá vụn núi lửa thành phần a-xít; Trong trầm tích này có nhiều hoá thạch bút đá, đặc trưng cho môi trường biển sâu. Trầm tích Đê-von hạ - trung phân bố ở các đảo Trà Bản, Ngọc Vừng, Vạn Cảnh... chứa các hoá thạch tay cuội, san hô, huệ biển là những sinh vật chỉ thị cho môi trường biển nông ven bờ. Ngoài ra, còn có các trầm tích than phân bố ở khu vực từ đảo Cái Bầu cho tới Phả Lại; trầm tích Ne-o-gen, Mi-lo-gen, Pờ-li-o-xen phân bố ở khu vực Hoành Bồ, Cửa Lục, trong đó đều có chứa các hoá thạch thực vật, động vật thân mềm hai mảnh ghi dấu sự phát triển của địa chất Vịnh Hạ Long qua các thời kỳ.
Các thành tạo Đệ tứ có mặt trong khu vực Hạ Long gồm các trầm tích Pờ-lây-to-xen thượng và trầm tích Hô-lô-xen. Trong đó, Pờ-lây-to-xen là một phức hệ các tướng trầm tích biển, sông-biển và a-lu-vi sông; trầm tích Ho-lo-xen gồm các trầm tích biển phân bố trên các thềm biển, các cồn cát ven bờ và ở nhiều đảo. Trầm tích Ho-lo-xen phủ đáy Vịnh Hạ Long gồm các loại bột lớn, bùn bột nhỏ và bùn sét-bột. Nếu theo quy luật của một bồn đang tích tụ là càng xuống sâu thì trầm tích càng mịn thì ở Vịnh Hạ Long, quy luật này là ngược lại. Điều đó nói lên rằng, trầm tích đáy Vịnh đã được tích tụ trong quá khứ. Theo các nhà khoa học, đó là một hiện tượng khá lý thú khi nghiên cứu đáy Vịnh Hạ Long.
Về các giá trị địa mạo của Vịnh Hạ Long, theo các nhà khoa học người ta chỉ hay chú ý tới vẻ đẹp mỹ lệ của các đảo đá và nét huyền diệu của hang động. Nhưng về phương diện địa chất thì không chỉ có vậy. Vịnh Hạ Long mỹ lệ và kiều diễm trước hết là ở bức tranh chuyển tiếp nhịp nhàng của phần lục địa với phần biển đảo (hay lòng Vịnh). Nếu đứng từ đảo Đầu Người nhìn vào đất liền mới chiêm ngưỡng được hình ảnh ngoạn mục: Các dãy núi ven bờ từ Cẩm Phả đến Cái Dăm nhấp nhô, nối tiếp nhau như một con rồng khổng lồ đang từ từ hạ xuống Vịnh. Đảo Tuần Châu giống như một viên ngọc từ miệng rồng, rơi xuống Vịnh. Bên cạnh sự đa dạng về hình thù các đảo, Hạ Long còn hấp dẫn bởi bức tranh khảm màu của nó: trên nền xanh lơ của nước biển nổi lên các mảng màu xanh lục của thảm rừng cây lá rộng trên các đảo đá phiến xen với màu xanh xám của thảm thực vật trên đảo đá vôi.
Giá trị thứ hai về địa mạo của Vịnh Hạ Long đó là sự đa dạng về các yếu tố địa hình: Các đảo núi xen kẽ các vũng biển sâu, sự tương phản của rừng sú vẹt ven bờ và các đảo đá vôi vách dựng đứng. Đây chính là loại hình thái địa hình cổ nhất còn quan sát được ở Việt Nam. ở phần lục địa và các đảo thì địa hình xâm thực bào mòn thể hiện ở các đồi núi lục nguyên, núi và đảo đá vôi, ở các hang động thuộc các tầng khác nhau. Còn ở đáy Vịnh, đáng quan tâm là các nhánh sông cổ, các khối kát-xtơ sót và đặc biệt là cánh đồng kát-xtơ ngập chìm.
Nét thứ ba về giá trị địa mạo đó là sự đa dạng về sự hình thành và hình thái của hệ thống hang động và đảo đá. Vịnh Hạ Long có hai loại hang là hang cổ và hang trẻ. Đặc biệt, ở hang cổ như hang Thiên Tinh, theo mức độ lên xuống của thuỷ triều có sự biến ảo kỳ lạ về độ lớn, cấu trúc hang và “trang trí” trần, vách hang bằng các “dăm kết hang động” vốn đã lấp đầy lòng hang trước đây. Quá trình hình thành hệ thống hang trẻ liên quan đến sự chuyển dời từng phần các “dăm kết hang động” lấp đầy các hang cổ. Còn sự bào mòn liên tục của nước biển trên địa hình bán bình nguyên Kát-xtơ cổ đã tạo nên các đảo đá vôi hình cột và các đảo có hình thù kỳ dị khác như ta thấy ngày nay.
Có thể nói, diện mạo của khu vực Vịnh Hạ Long và sự giàu có về các giá trị địa chất, địa mạo độc đáo và nổi tiếng như ta thấy ngày nay là kết quả của quá trình lịch sử hình thành, phát triển và biến cải địa chất khu vực kéo dài hơn 500 triệu năm. Sự trường tồn của Vịnh Hạ Long phụ thuộc vào hai yếu tố: thiên nhiên và con người. Trong đó, vai trò và thái độ ứng xử của chúng ta với Vịnh Hạ Long là vô cùng quan trọng. Thời gian qua, hệ quả của việc khai thác than, rừng đầu nguồn và rừng sú vẹt đang tiềm ẩn nguy cơ làm cho nước Vịnh Hạ Long đục dần, đáy Vịnh bị phủ bùn nhiều hơn. Điều này chắc chắn sẽ dẫn đến sự suy tàn của hệ sinh vật biển, đặc biệt là san hô. Do đó, mọi hoạt động kinh tế - xã hội ven bờ và trong khu vực Vịnh Hạ Long cần được quy hoạch hợp lý trên cơ sở những nghiên cứu khoa học. Đây chính là giải pháp khả dĩ để bảo tồn, giữ gìn và khai thác các giá trị của Vịnh Hạ Long bền vững, lâu dài.
