Khu vực Tràng An được bao bọc bởi các dãy núi đá vôi hình cánh cung giữa vùng chiêm trũng ngập nước đã trải qua thời gian dài biến đổi địa chất tạo thành. Các nhà địa chất khẳng định khu Tràng An xưa là một vùng biển cổ, qua quá trình vận động địa chất mà kiến tạo nên. Những khe nứt sinh ra do sự vận động đó dần dần hình thành các dòng chảy trong hang động đá vôi.[11] Khu sinh thái hang động Tràng An như một "bảo tàng địa chất ngoài trời".[12].

Tràng An có hệ thống núi đá vôi và hang động tự nhiên hết sức đa dạng, có tuổi từ 32 triệu năm đến 6.000 năm. Dưới chân các núi đá vôi, nhiều nơi còn có các hàm ếch, là dấu tích của biển.[13] Chính vì vậy vùng núi đá vôi Hoa Lư – Ninh Bình được gọi là "Hạ Long trên cạn". Dưới con mắt các nhà khoa học tự nhiên, khu vực này mang giá trị của một "Hạ Long cạn", cả về nghĩa đen lẫn nghĩa bóng. Nghiên cứu cho thấy, vỏ trái đất khu vực Tràng An – Tam Cốc có lịch sử phát triển địa chất từ 245 triệu năm đến nay gồm 6 hệ tầng tuổi Trias và hệ tầng Đệ Tứ. Khối karst cổ Tràng An – Tam Cốc mang đặc điểm nhiệt đới điển hình: những dãy núi đá hoặc khối đá vôi sót cao 150 - 200m có đỉnh dạng tháp, vòm, chuông và sườn vách dốc đứng. Phần rìa khối là các thung lũng bằng phẳng dễ úng ngập vào mùa mưa. Đặc điểm này tạo cảnh quan nhiều dãy núi đá vôi thấp trùng điệp bao quanh các thung lũng là những hồ nước nối tiếp nhau, vừa hùng vĩ vừa nên thơ. Trong hệ thống hang động karst đặc sắc nhất là loại "hang sông" nằm ngang xuyên qua lòng các dãy núi lớn, ngập nước thường xuyên. Viện sinh thái và tài nguyên sinh vật thống kê, riêng khu Tràng An có 50 hang nước và 50 hang khô tập trung thành cụm với cấu tạo theo tầng lớp và liên hoàn do dấu vết thời kỳ biển tiến, biển thoái nên nước xâm thực, liên thông các hang động với nhau.[14] Ở đây là các thung được nối liền với nhau bởi các hang động xuyên thủy. Những hang, động này chuyển tải nước đối lưu chảy thông từ khe núi này đến khe núi khác.[15]

Theo nhiều nhà nghiên cứu về tự nhiên, đặc trưng tiêu biểu nhất của địa chất địa mạo ở Tràng An là số lượng hang động rất phong phú, đa dạng về hình thái, chủng loại, tạo thành từng cụm, thạch nhũ đa dạng, kết cấu tầng lớp liên hoàn; có hang động xuyên thuỷ, hang động thông và hang ngầm. Là karst nhiệt đới điển hình trải qua những giai đoạn tiến hoá lâu dài còn được thể hiện khá rõ trên địa hình và trầm tích, có ý nghĩa đối với việc nghiên cứu khí hậu và sự tiến hoá địa hình, ghi dấu ấn của các thời kỳ nước biển dâng trong kỷ đệ tứ liên quan đến các đợt gian băng và khí hậu nóng lên; nghiên cứu sự thích nghi của con người trong thời kỳ biển tiến, biển lùi và sự biến đổi của môi trường khí hậu về thời kỳ này.