Vịnh Hạ Long đã trải qua ít nhất 500 triệu năm dưới nhiều trạng thái địa chất khác nhau từ kiến tạo núi, nước biển xâm lấn và nước biển rút. Trong kỷ Ordovic và Silur (500-410 triệu năm trước), Vịnh Hạ Long là một vùng biển sâu. Trong kỷ Cacbon và Permian (340-250 triệu năm trước đây), vịnh là một vùng biển nông. Cảnh quan biển đảo hiện tại được hình thành khoảng 7 hay 8 nghìn năm trước bởi hoạt động nước biển xâm lấn trong kỷ Holocen.
Đặc biệt vào khoảng 11.000 năm trước đây, khu vực Cát Bà – Hạ Long bắt đầu có sự phát triển của nhiều nền văn hóa cổ xưa như các nền văn hóa Soi Nhụ và Hạ Long. Nhiều hiện vật, cổ vật đã được tìm thấy như các công cụ đá, đồ trang sức bằng đá, gốm, dụng cụ thu hoạch và săn bắn, ngư cụ, mũi tên đồng… – thuộc các thời kỳ khác nhau trong thời cổ đại.
