Phong Nha-Kẻ Bàng có một cấu trúc địa chất phức tạp, với lịch sử phát triển vỏ Trái Đất từ thời kỳ kỷ Ordovicia (464 Ma). Điều này đã tạo ra ba loại địa hình và địa mạo. Một trong số đó là các kiến tạo không phải carxtơ với các ngọn núi thấp tròn với các thềm đất tích tụ mài mòn dọc theo các thung lũng sông Son và sông Chay và tại các mép khối núi đá vôi trung tâm. Loại kiến tạo lớn khác là các kiến tạo carxtơ có đặc trưng là các carxtơ nhiệt đới cổ chủ yếu là từ Đại Trung sinh, nhưng 2/3 của khu vực này là carxtơ từ Đại Tân sinh. Đá vôi chiếm một diện tích khoảng 200.000 ha, với một khu vực tương tự ở tỉnh Khammuane của Lào. Quá trình kiến tạo carxtơ đã tạo ra nhiều đặc điểm như các sông ngầm, các động khô, các động bậc thang, động treo, động hình cây và động cắt chéo nhau. Các động có sông được chia thành 9 động của hệ thống Phong Nha đổ vào sông Son và 8 động của hệ thống động Vòm đổ vào sông Chay.