Địa hình Vịnh Hạ Long là những hòn đảo, núi xen kẽ giữa các trũng biển, là vùng đất mặn có sú vẹt mọc và những đảo đá vôi vách đứng, tạo nên những vẻ đẹp tương phản, kết hợp hài hòa, sinh động. Điều này là minh chứng độc đáo về lịch sử phát triển của trái đất, bao gồm đặc điểm địa chất và quá trình vận động, phát triển liên tục của dạng địa hình Karst. Những hòn đảo ở đây là mẫu hình khá lý tưởng về Karst hình thành trong điều kiện nhiệt đới, ẩm. Toàn bộ khu vực Vịnh Hạ Long là một cảnh quan Karst qua nhiều triệu năm, với các tháp karst hình chóp, hình tháp, bị bào mòn, tạo nên cảnh đẹp nổi bật, độc đáo toàn thế giới.

Lịch sử kiến tạo địa chất đá vôi của Vịnh đã trải qua khoảng 500 triệu năm với những hoàn cảnh cổ địa lý rất khác nhau; và quá trình tiến hóa carxto đầy đủ trải qua trên 20 triệu năm với sự kết hợp các yếu tố như tầng đá vôi dày, khí hậu nóng ẩm và tiến trình nâng kiến tạo chậm chạp trên tổng thể.

Bên cạnh giá trị địa chất và giá trị thẩm mỹ độc đáo toàn cầu, trong khu vực Vịnh Hạ Long hiện nay còn lưu giữ được nhiều hệ sinh thái rừng ngập mặn, hệ sinh thái rạn san hô, hệ sinh thái cỏ biển, hệ sinh thái rừng cây nhiệt đới và đặc biệt là hệ sinh thái tùng áng đặc thù. Kết quả nghiên cứu những năm qua cho thấy trong vùng Vịnh Hạ Long có mặt trên 300 loài cá, 545 loài động vật đáy biển, 154 loại san hô, 35 loài sinh vật phù du, 139 loài rong biển, 5 loài cỏ biển và 31 loài thực vật vùng ngập mặn … Các hệ sinh thái đó đã tạo nên giá trị đa dạng sinh học tương đối nổi bật của Vịnh Hạ Long.

Các đảo trên Vịnh Hạ Long có những hình thù riêng, không giống bất kỳ hòn đảo nào ven biển Việt Nam. Ẩn sâu trong lòng các đảo đá ấy là những hang động tuyệt đẹp gắn với nhiều truyền thuyết thần kỳ như động Thiên Cung, hang Đầu Gỗ, động Sửng Sốt, hang Trinh Nữ, động Tam Cung... Đó thực sự là những lâu đài của tạo hoá giữa chốn trần gian. 

Ngoài các đảo lớn nhỏ, Vịnh Hạ Long còn sở hữu rất nhiều hang động độc đáo, hấp dẫn khách du lịch như Hang Sửng Sốt, Động Thiên Cung, hang Đầu Gỗ …

Không chỉ vậy, nơi đây còn là vùng đất mang trong mình những trang sử vẻ vang, hào hùng của dân tộc Việt Nam với những địa danh nổi tiếng như Vân Đồn - nơi có thương cảng cổ sầm uất vào thế kỷ thứ 12, có núi Bài Thơ lịch sử, và cách đó không xa là dòng sông Bạch Đằng - chứng tích của hai trận thuỷ chiến lẫy lừng của các thế hệ ông cha chống giặc ngoại xâm.

Vào ngày 17/12/1994, trong phiên họp lần thứ 18 của Hội đồng Di sản Thế giới thuộc UNESCO tổ chức tại Thái Lan, vịnh Hạ Long chính thức được công nhận là Di sản Thiên nhiên thế giới với giá trị ngoại hạng về mặt thẩm mĩ, theo tiêu chuẩn của Công ước quốc tế về bảo vệ tự nhiên và văn hóa thế giới. Ngày 2/12/2000, tại Hội nghị lần thứ 24 tại thành phố Cairns, Queensland, Úc, Hội đồng Di sản Thế giới đã công nhận vịnh Hạ Long là Di sản thế giới lần thứ 2 theo tiêu chuẩn về giá trị địa chất, địa mạo. Hiện nay, tỉnh Quảng Ninh đang xúc tiến đệ trình UNESCO công nhận Vịnh Hạ Long là Di sản thế giới lần thứ 3, dựa trên những giá trị về khảo cổ học và đa dạng sinh học trong vùng Vịnh.