向海保护区地层中基岩主要是前古生代及古生代变质岩和火山岩，其覆盖均为第四系覆盖。在大地构造上，属松嫩平原新华夏系第二沉降带。第四纪以来，经过数个升降运动旋回，表现为大面积的中、小幅度沉降，形成了现代地质构造单元。本区位于松嫩平原西部，松嫩平原在地质构造上属新华夏系的第二沉降带。第四纪初期，在地质构造的作用下，缓慢沉降，大兴安岭相对上升，于是侵蚀作用加强，被搬运的灰白色砂砾石沉积在松嫩平原松散层底部。在早更新世的沉降过程中，松嫩平原西部沉降带形成了大湖盆，并沉积了30-70米的湖相粘土层。直到更新世中、后期，随着大陆裂谷的萎缩，北北东断裂活动减弱，而北西向及东西向断裂活动增强，松辽分水岭缓慢抬升，平原区大湖盆逐渐缩小，并向西迁移，被分割成大小不等的湖泊。随着河流的不断发育，在平原上河流迂回摆荡，形成广阔的冲积、洪积平原，并埋藏了深厚的粉沙质河流冲积、淤积物质，此时中央坳陷不复存在，局部还出现地壳隆起，在各局部断裂控制下，出现了新隆起与新坳陷交错展布局面。本区是在前古生界和上古生界结晶基岩基底上发育起来的构造盆地。中生代沉积了巨厚的陆源碎屑岩沉积地层，白至系下统在平原上发育的十分完整，各层间虽有沉积间断，但一般无大角度不整合。从老第三纪中期开始接受新生代沉积，下第三系很薄，并缺失古新统地层，始新统-渐新统主要为泥岩、夹薄层砂质泥岩及粉砂岩，厚度变化不大，第三系中新统主要为泥岩、粘土质泥岩、砂质泥岩和粉细砂岩，底部为砂砾岩，其间下更新统主要为灰白色砂砾石和紫红色泥砾，中更新统主要为砂砾石、砂、湖相淤泥、粘土和亚粘土，上更新统为砂砾石、细砂、粉砂层、黄土状亚粘上和亚砂土。第四系的全新统主要为砂砾石、砂、亚粘土和粘土。

向海保护区地处内蒙古高原和东北松嫩平原的过渡带，大地构造属松辽凹陷的西部地带沉降带，地势西高东低，海拔高度在156-192米之间，地势起伏不大，风积砂丘岗地多呈北西-南东向带状排列，与洼地交错相间分布。在向海地区，嫩江支流霍林河和额穆泰河，形成闭合流域，这一地区沉积了大量的河湖相粘质和细砂沉积物，地表水难以下降，地表长期过湿，坡降和缓，排水不畅，形成了大面积的湿地分布区。本区地貌类型可分为保护区内堆积地貌和周边风成地貌两类。

向海自然保护区在地理上处于科尔沁沙地(草原)的中部，表现为温带稀树沙丘聚沼泽草原生态类型；在地质上处于大兴安岭内蒙古褶皱带与松辽平原沉降带的过渡地区，构造沉降出现洼地是向海保护区形成的重要条件。地貌以沙化和盐渍化的平原为主要特征。地势由西向东倾斜。风积沙丘多呈西北向东南方向的带状分布，垄状沙丘和垄间洼地交错相间排列，但地势较为平缓，起伏相差不大，海拔高度约在156-192米之间。沙丘一般为缓坡，多数在5度以下，最大在15度左右。