Toàn bộ miền đồng bằng sông Hồng nằm trên một lớp đá kết tinh cổ, loại nền đá ở vùng Đông Bắc. Cách đây 200 triệu năm, vào cuối đại Cổ sinh, lớp đá này bị sụt xuống. Vào thời đó, biển lên đến quá Việt Trì ngày nay, tiến sát các vùng đồi Bắc Giang, Bắc Ninh, Phúc Yên, Nho Quan. Cửa sông Hồng lúc đó ở Việt Trì. Chế độ biển kéo dài trên 170 triệu năm. Các trầm tích Neogen lắng xuống làm cho vịnh biển thu hẹp lại. Lớp trầm tích này có nơi dày đến 3000 mét. Trên cùng là lớp phù sa Holocen dày từ 80 đến 100 mét ở trung tâm vùng đồng bằng sông Hồng, và càng xa trung tâm thì càng mỏng dần.

Trong đồng bằng sông Hồng có nhiều ô trũng tự nhiên, điển hình là ô trũng Hà Nam Ninh, ô trũng Hải Hưng và ô trũng Nho Quan. Ngoài ra còn có rất nhiều đầm lầy. Trầm tích và phù sa do các sông vận chuyển ra khỏi lòng sông mỗi mùa lũ đã không lấp được các ô trũng và đầm lầy này do chúng quá xa sông hoặc do bị đê điều nhân tạo ngăn cản. Việc các sông đổi dòng cũng tạo ra nhưng đầm lầy và ao hồ.