向海保護(hù)區(qū)地層中基巖主要是前古生代及古生代變質(zhì)巖和火山巖，其覆蓋均為第四系覆蓋。在大地構(gòu)造上，屬松嫩平原新華夏系第二沉降帶。第四紀(jì)以來，經(jīng)過數(shù)個(gè)升降運(yùn)動旋回，表現(xiàn)為大面積的中、小幅度沉降，形成了現(xiàn)代地質(zhì)構(gòu)造單元。本區(qū)位于松嫩平原西部，松嫩平原在地質(zhì)構(gòu)造上屬新華夏系的第二沉降帶。第四紀(jì)初期，在地質(zhì)構(gòu)造的作用下，緩慢沉降，大興安嶺相對上升，于是侵蝕作用加強(qiáng)，被搬運(yùn)的灰白色砂礫石沉積在松嫩平原松散層底部。在早更新世的沉降過程中，松嫩平原西部沉降帶形成了大湖盆，并沉積了30-70米的湖相粘土層。直到更新世中、后期，隨著大陸裂谷的萎縮，北北東斷裂活動減弱，而北西向及東西向斷裂活動增強(qiáng)，松遼分水嶺緩慢抬升，平原區(qū)大湖盆逐漸縮小，并向西遷移，被分割成大小不等的湖泊。隨著河流的不斷發(fā)育，在平原上河流迂回?cái)[蕩，形成廣闊的沖積、洪積平原，并埋藏了深厚的粉沙質(zhì)河流沖積、淤積物質(zhì)，此時(shí)中央坳陷不復(fù)存在，局部還出現(xiàn)地殼隆起，在各局部斷裂控制下，出現(xiàn)了新隆起與新坳陷交錯(cuò)展布局面。本區(qū)是在前古生界和上古生界結(jié)晶基巖基底上發(fā)育起來的構(gòu)造盆地。中生代沉積了巨厚的陸源碎屑巖沉積地層，白至系下統(tǒng)在平原上發(fā)育的十分完整，各層間雖有沉積間斷，但一般無大角度不整合。從老第三紀(jì)中期開始接受新生代沉積，下第三系很薄，并缺失古新統(tǒng)地層，始新統(tǒng)-漸新統(tǒng)主要為泥巖、夾薄層砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，厚度變化不大，第三系中新統(tǒng)主要為泥巖、粘土質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉細(xì)砂巖，底部為砂礫巖，其間下更新統(tǒng)主要為灰白色砂礫石和紫紅色泥礫，中更新統(tǒng)主要為砂礫石、砂、湖相淤泥、粘土和亞粘土，上更新統(tǒng)為砂礫石、細(xì)砂、粉砂層、黃土狀亞粘上和亞砂土。第四系的全新統(tǒng)主要為砂礫石、砂、亞粘土和粘土。

向海保護(hù)區(qū)地處內(nèi)蒙古高原和東北松嫩平原的過渡帶，大地構(gòu)造屬松遼凹陷的西部地帶沉降帶，地勢西高東低，海拔高度在156-192米之間，地勢起伏不大，風(fēng)積砂丘崗地多呈北西-南東向帶狀排列，與洼地交錯(cuò)相間分布。在向海地區(qū)，嫩江支流霍林河和額穆泰河，形成閉合流域，這一地區(qū)沉積了大量的河湖相粘質(zhì)和細(xì)砂沉積物，地表水難以下降，地表長期過濕，坡降和緩，排水不暢，形成了大面積的濕地分布區(qū)。本區(qū)地貌類型可分為保護(hù)區(qū)內(nèi)堆積地貌和周邊風(fēng)成地貌兩類。

向海自然保護(hù)區(qū)在地理上處于科爾沁沙地(草原)的中部，表現(xiàn)為溫帶稀樹沙丘聚沼澤草原生態(tài)類型；在地質(zhì)上處于大興安嶺內(nèi)蒙古褶皺帶與松遼平原沉降帶的過渡地區(qū)，構(gòu)造沉降出現(xiàn)洼地是向海保護(hù)區(qū)形成的重要條件。地貌以沙化和鹽漬化的平原為主要特征。地勢由西向東傾斜。風(fēng)積沙丘多呈西北向東南方向的帶狀分布，壟狀沙丘和壟間洼地交錯(cuò)相間排列，但地勢較為平緩，起伏相差不大，海拔高度約在156-192米之間。沙丘一般為緩坡，多數(shù)在5度以下，最大在15度左右。