Vườn Quốc Gia Núi Chúa nằm trong miền Trường Sơn Nam thuộc địa đới Kontum, có tuổi địa chất cách đây hàng triệu năm, được cấu tạo chủ yếu trên nền địa chất vững chắc của khối magma xâm nhập và phún xuất xen kẽ nhau với ba loại đá mẹ đặc trưng là: Andelit, đá Liparit (Riolit) và Granite chiếm chủ yếu ở khu vực này. Ở ven rìa khối núi là trầm tích đệ Tứ nguồn gốc biển và đầm lầy biển. Trên cơ sở nền đá mẹ này, quá trình phong hoá hình thành đất có các loại đất chính như sau:

• Đất bạc màu trên đá Magma acid và cát: Có hầu hết ở các vùng đồi, núi thấp, phân bố ở độ cao dưới 700m. Loại đất này được hình thành trên sản phẩm của đá mẹ magma acid và cát nên đất có thành phần cơ giới nhẹ, tầng đất mỏng, có nhiều kết von và đá ong trong đất cũng như trên mặt, có độ chua cao, dễ thoát nước và nghèo chất dinh dưỡng. Trong quá trình phong hoá bào mòn thì đây chính là loại đất dễ xói mòn và rửa trôi nhất trong khu vực và là một trong những nguồn cung cấp sản phẩm cát tích tụ ở chân đồi núi.
• Đất xám nâu vàng bán khô hạn: Có phân bố ở vùng bán sơn địa, cũng được hình thành trên đá mẹ magma acid và phù sa cổ thuộc vùng khí hậu khô hạn. Đất có màu xám đen đến nâu xám, có thành phần cơ giới nhẹ, tầng đất mặt có nhiều sỏi sạn và đá lộ đầu (tỉ lệ đá lộ đầu có nơi tới 50-60%), hàm lượng dinh dưỡng thấp, chua, khô. Nhóm đất này phân bố chiếm gần hết diện tích của khu núi chúa, có thành phần cơ giới nhẹ, đất khô, lẫn nhiều đá.
• Đất vàng đỏ trên đá mẹ magma acid: Phân bố ở nhiều độ cao khác nhau, nhưng thường tập trung nhiều ở vùng núi cao > 700 m có độ chia cắt và độ dốc lớn, tầng đất khá dày, có thành phần cơ giới nhẹ, chua, nghèo mùn và chất dinh dưỡng và khả năng giữ nước kém.
• Đất xói mòn trơ sỏi đá (E): Phân bố ở các vùng sườn, dông, đỉnh vùng đồi, núi có độ dốc lớn, đất bị bào mòn, rửa trôi mạnh, tầng đất mỏng < 50 cm, tỉ lệ đá lẫn và lộ đầu khá cao (từ 50-70%), nghèo chất dinh dưỡng, chua và khô, thảm thực vật rừng nghèo nàn (chủ yếu là cỏ và cây bụi,...). Phân bố rìa đông bắc.
• Đất cát: phần ven biển phía đông nam và đông còn có đất cát điển hình vùng ven biển, phân bố dọc bờ biển, kéo dài từ phía bắc xuống phía nam, trừ những đoạn có núi ăn lan ra biển, tạo thành những bãi cát có diện tích khá lớn.
• Đất phù sa: Phân bố hẹp, chỉ có ở một số suối lớn, địa hình bằng phẳng như ở suối Đông Nha ở phía tây nam và ở Vĩnh Hy, xã Vĩnh Hải. Đất không được bồi tụ, phẫu diện đất chưa phân hoá thành các tầng đất rõ rệt.
• Đất mặn đầm lầy: Phân bố khu vực quanh đầm Nại, xung quanh núi Quýt xã Tri Hải.