Vịnh San Francisco được cho là kết quả của sự cong vênh vỏ Trái đất giữa đứt gãy San Andreas về phía tây và đứt gãy Hayward về phía đông, mặc dù bản chất chính xác của vấn đề này vẫn còn đang được nghiên cứu. Trong kỷ băng hà cuối cùng, phần lưu vực bây giờ đang được lấp đầy bởi nước, đã từng là một thung lũng lớn với những ngọn đồi nhỏ, giống như hầu hết các thung lũng của dãy Coast Ranges. Các con sông ở Thung lũng Trung tâm chảy ra biển qua một hẻm núi mà bây giờ được gọi là Cổng Vàng. Khi các tảng băng lớn tan chảy, mực nước biển tăng 300 feet (90 m) trong hơn 4.000 năm, đã làm cho thung lũng bị ngập nước từ Thái Bình Dương, trở thành vịnh. Những ngọn đồi nhỏ đã trở thành những hòn đảo như bây giờ.