Quần đảo Cát Bà là một quần đảo gồm 388 hòn đảo, trong đó có đảo Cát Bà ở phía nam vịnh Hạ Long, ngoài khơi thành phố Hải Phòng và tỉnh Quảng Ninh, cách trung tâm thành phố Hải Phòng khoảng 30 km, cách thành phố Hạ Long khoảng 25 km. Về mặt hành chính, quần đảo thuộc huyện Cát Hải, thành phố Hải Phòng. Nơi đây đã được UNESCO công nhận là Khu dự trữ sinh quyển thế giới (năm 2004).

Quần đảo này gồm 388 hòn đảo nằm trên diện rộng khoảng 345 km². Đảo Cát Bà lớn nhất có diện tích 153 km², là đảo lớn thứ ba ở Việt Nam sau Phú Quốc và Cái Bầu, có đỉnh cao nhất 331 m. Các đảo còn lại ít khi độ cao đạt 100–250m, phần nhiều là đảo nhỏ có độ cao dưới 100m và các hòn rất nhỏ thường chỉ cao 20–50m. Đây là một khu vực địa hình karst nhiệt đới bị ngập chìm do biển tiến Holocen. Các hòn đảo là các chóp hoặc tháp kart đơn lẻ hoặc thành cụm, vách bờ dốc đứng nổi trên mặt nước biển. Nhiều tên đảo gọi theo hình dáng của các vật như Ớt, Chuông, Mai Rùa, Lã Vọng, Đuôi Rồng, Báo và Sư Tử,... Ăn mòn sinh hóa và cơ học của nước biển do sóng và thủy triều tạo nên rìa bờ lõm vòng quanh đảo. Trên đảo Cát Bà có các thung lũng karst như Trung Trang, Gia Luận, Tai Lai và Việt Hải. Chúng có độ cao 5–8m, chiều rộng 100–600m, có nơi rộng tới 1 km, kéo dài một vài tới chục km, được lấp đầy bằng các trầm tích sông–biển Pleistocen muộn. Quần đảo Cát Bà có nhiều hang động thuộc ba nhóm: hang ngầm cổ, hang nền và hang hàm ếch biển. Các hang ngầm cổ như động Hùng Sơn, động Hoa, hang Trung Trang,... thường có độ cao trên 10 m. Các hang nền phổ biến nhưng thường có kích thước nhỏ và thường có độ cao dưới 10m. Hang hàm ếch biển có khi xuyên thủng các khối đá vôi tạo thành hang luồn như hang Xích, hang Thủng,... Địa hình đáy ven bờ quần đảo Cát Bà gồm các dạng tùng áng, rạn san hô, đồng bằng đáy vịnh và luồng lạch. Tùng, áng là các thung lũng hoặc phễu karst bị biển ngập chìm. Tùng có 26 chiếc với hình dạng kéo dài (tùng Gấu, tùng Chàng,...). Áng có 33 chiếc với hình dạng đẳng thước (áng Thảm, áng Vẹm và áng Kê,...).[7]

Về cấu trúc địa chất, quần đảo nằm trên bể đông bắc Bắc Bộ, ưu thế các đá trầm tích carbonat Paleozoi và trầm tích bở rời Đệ Tứ. Biểu hiện magma ở quần đảo Cát Bà không đáng kể với vài thể đá magma xâm nhập dạng mạch đã được xác định là spesartit và minet tại Hùng Sơn và Bến Bèo. Hệ tầng Phố Hàn (D3-C1 ph) có tuổi Devon muộn–Carbon sớm, phân bố chủ yếu ở phía tây nam và giữa đảo Cát Bà, lộ ít hơn ở phía bắc đảo, dày khoảng 400–650 m, gồm đá vôi xám đen phân lớp xen các đá lục nguyên và đá silic. Ở bờ vụng Cát Bà lộ ra mặt cắt địa tầng chuyển tiếp giữa Devon và Carbon rất có giá trị khoa học và di sản địa chất. Hệ tầng Bắc Sơn (C1-P2 bs) (C1-P2 bs), tuổi Carbon sớm–Permi muộn, phân bố rộng khắp, dày khoảng 700–1000 m, chủ yếu gồm đá vôi màu xám, xám sáng, phân lớp dày và dạng khối. Các trầm tích Đệ Tứ gồm trầm tích hệ tầng Vĩnh Phúc (Q13 vp) tuổi Pleistocen muộn, thành phần cát, cuội cấu tạo nên bậc thềm biển cao 5–8m ở Ao Cối và các trầm tích sông–biển ở các thung lũng Gia Luận, Trung Trang; trầm tích hệ tầng Hải Hưng (Q11-2 hh), tuổi Holocen sớm–giữa và trầm tích hệ tầng Thái Bình (Q22-3 tb). Các trầm tích hiện đại gồm có trầm tích bãi biển, bãi triều, bãi lầy sú vẹt và trầm tích đáy biển nông, thành phần từ sét, bột đến cát sạn. Biển tiến sau băng hà lần cuối cùng bắt đầu từ 17–18 nghìn năm trước, khi mực nước biển thấp hơn hiện nay 100–120m, đến khoảng 7.000–8.000 năm trước bắt đầu tràn ngập khu vực Cát Bà, mở rộng nhất vào 5.000–6.000 năm trước chính thức biến nơi này thành quần đảo.[7]