Trên phạm vi khu vực nhỏ, về mặt địa mạo thì khu vực VQG Núi Chúa thuộc dãy núi khối tảng vòm Núi Chúa, kéo dài theo hướng bắc đông bắc-nam đông nam, giới hạn về phía nam là đứt gãy Krongpha - Phan Rang, phái tây bởi đứt gãy Cam Ranh - Phan Rang. Khối núi này là kết quả của hoạt động kiến tạo nâng tạo núi nhiều lần thời kỳ Miocene và Pliocene. Hoạt động nâng tạo vòm và san bằng ở các thời kỳ khác nhau đã tạo nên các bậc địa hình gần giống như bậc địa hình ngày nay. Với các bề mặt san bằng Miocene giữa ở độ cao khoảng 850-1040m, Miocene muộn 700 - 850m, Pliocene sớm 500 - 650m, Pliocene giữa 300 - 350m và Pliocene muộn 150 - 200m. Các bề mặt này phát triển bao quanh bề mặt Miocene giữa gần như ở trung tâm, thấp và trẻ dần theo các hướng.

Khối núi này, sau pha nâng đầu Miocene muộn, vẫn tồn tại như một đồng bằng đồi cao khoảng 170 - 200m, cho tới Pliocene giữa, khối núi đã đạt độ cao 600-650m, và các pha nâng sau đó đã đưa độ cao thêm 300-400m nữa. Kèm theo các hoạt động nâng thì khối núi cũng bị bóc mòn mạnh và lộ ra các khối đá xâm nhập như khối đá xâm nhập thuộc phức hệ Cà Ná. Cho tới nay các quá trình xâm thực, đổ lở và bóc mòn vẫn còn đang phát triển mạnh.

Ở phạm vi rộng hơn, cho cả vùng Phan Rang liền kề thì Phan Rang thuộc kiến trúc hình thái kiểu đồng bằng tích tụ rìa vòng tân kiến tạo.. Đồng bằng được hình thành từ kết quả của sụt lún kèm theo bóc mòn, là nơi giao nhau của các hệ thống đứt gãy Cam Ranh-Phan Rang, Krongpha-Phan Rang, địa hình bị hạ thấp và bóc mòn nhiều. Giới hạn phía bắc chính là khối Núi Chúa. Xem xét tổng thể thì khu vực Phan Rang bị giới hạn xung quanh bởi các khối núi tảng cao hơn hình thành một dạng bồn trũng khép kín chỉ hở ra mặt phía Đông là biển. Từ các hoạt động tân kiến tạo hình thành địa hình ngày nay ở các khu vực lân cận VQGNC và tại ngay khu vực Núi Chúa, về mặt địa hình, VQGNC có các đặc điểm sau đây:

• Khu vực Núi Chúa là một khối núi khá liền lạc, nhìn từ ảnh vệ tinh thì Núi Chúa có hình dạng như một con rùa có đầu quay về phía Nam, đuôi là phần nhô ra của mũi Xốp thò vào vịnh cam Ranh như đang từ biển bò lên đất liền. Khối núi này có nhiều đỉnh ở các độ cao khác nhau, mà đỉnh cao nhất là đỉnh núi Cô Tuy có dộ cao 1.039m.
• Địa hình thấp dần từ trung tâm ra, phần phía bắc và tây có độ dốc lớn hơn phía nam và phía đông. Phía tây và tây nam địa hình bị chia cắt do có các khối núi nhỏ tạo thành các thung lũng sườn núi theo hướng đông bắc-tây nam; còn phía bắc, đông và đông nam địa hình ít bị chia cắt, thấp dần từ đỉnh núi ra biển
• Địa hình có độ cao dưới 300m: phân bố phía đông và nam và các khu vực ở phía bắc giáp biển, địa hình ít bị chia cắt, độ dốc dưới 200.
• Địa hình có độ cao từ 300-700m: phân bố phía tây và tây nam, địa hình bị chia cắt mạnh, hình thành các thung lũng và sườn vách dốc trên 200, cho đến 350.
• Địa hình có độ cao trên 700m: phân bố phần trung tâm, có nhiều đỉnh núi ở các độ cao khác nhau, bị ngăn cắt bởi các thung lũng, có độ dốc từ 200 đến 400.

Xa hơn về phía tây nam là đồng bằng nhỏ Phan Rang, bao bọc xung quanh bởi các khối núi cao. Cả khu vực Núi Chúa-Phan Rang gần như hình thành dạng địa hình lòng chảo, ngăn cách ở phía bắc, tây và nam là các khối núi có địa hình cao trên 500m cho đến trên 1000m. Ở hai đầu phía bắc và nam bị chặn lại bởi các khối núi ăn lan ra biển có cao độ trung bình 500-700m.