Cảnh quan karst khu vực Quần thể danh thắng Tràng An đã hình thành từ Miocene (khoảng 23 triệu năm trở lại đây) với bề mặt san bằng cổ cao 150-250m cùng các chóp di lưu, đặc biệt là trong Đệ Tứ với các kiểu cảnh quan karst "peak-cluster depression", "peak- cluster vally", "peak- forest plain", cánh đồng karst cùng nhiều tầng hang động, thềm biển, ngấn sóng vỗ khắc lõm vào vách đá vôi với các lớp hầu hà sống bám… Tất cả cùng với các giá trị về khảo cổ, lịch sử, văn hóa, xã hội khác đã làm nên giá trị toàn cầu về cảnh quan karst nhiệt đới với các dấu ấn tác đồng của biển xưa nay đã trở thành "hóa thạch".
Vùng karst Tràng An là phần tận cùng về phía Đông Nam của các dải đá vôi thuộc nhánh đại dương Tethys cổ từ Trung Quốc kéo vào Việt Nam. Các dải đá vôi này đã làm thành loạt cao nguyên đá vôi Tây Bắc Việt Nam độc đáo, sau khi qua Cúc Phương về tới Tràng An thì chuyển thành các khối núi, dãy núi hẹp xen các thung lũng ngày càng mở rộng về phía Đông Nam, cùng một số đồi karst sót rải rác trên đồng bằng trước khi chìm hẳn xuống biển. Với đặc điểm cấu trúc sơn văn như vậy, vùng đá vôi Tràng An xứng đáng được coi là đại diện tiêu biểu, nhưng cũng rất khác biệt của dải đá vôi Tây Bắc Việt Nam.
Khu vực nghiên cứu được chia làm 2 phần Đông Bắc và Tây Nam thông qua đứt gãy Ninh Bình phương Tây Bắc - Đông Nam. Kết quả nghiên cứu chuyển động tân kiến tạo khu vực đã xác nhận từ Pleistocene (khoảng 2,588 triệu năm trở lại đây) do hoạt động sụt lún mở rộng của đồng bằng châu thổ sông Hồng cũng như Vịnh Bắc bộ mà bộ phận Đông Bắc và Đông Nam khu vực Tràng An cũng bị sụt lún kéo theo, với bằng chứng là các trầm tích trẻ tăng dần chiều dày về phía Đông Nam.
Khu vực nghiên cứu chịu tác động rất rõ rệt của hệ thống đứt gãy phương Tây Bắc- Đông Nam; Đông Bắc- Tây á kinh tuyến và vĩ tuyến. Cũng vì thế mà các thung lũng dài và rộng liên thông với đồng bằng già nua ở phần Đông Nam khối đá vôi Tràng An có đặc điểm rất điển hình khép hẹp đầu ở Tây Bắc và mở rộng dần về phía Đông Nam. Đặc điểm đó phản ánh rất rõ cơ chế hoạt động của hệ thống đứt gãy Tây Bắc - Đông Nam là trượt bằng - thuận trong giai đoạn tân kiến tạo.
Cũng do hoạt động mạnh trong giai đoạn tân kiến tạo của mạng lưới các hệ thống đứt gãy, kết hợp với các dụng cụ hòa tan, rửa lũa, gặm mòn mạnh của nước trong điều kiện khí hậu nhiệt đới và càng mạnh hơn bởi sự xâm lấn nhiều lần của biển nên địa hình karst được thể hiện một cách rất sắc nét dưới dạng thành lũy hẹp, vách dốc dạng khung xương, kéo dài dạng cánh cung, dạng lưỡi kiếm, dạng vô lăng (do sự phối hợp giữa dạng cung và dạng lưỡi kiếm) bao lấy một không gian rỗng, rộng lớn bên trong như ở vùng Tràng An. Đó cũng có thể là lý do để kinh đô đầu tiên của Nhà nước Việt Nam phong kiến độc lập- Kinh đô Hoa Lư- với các di tích của triều đại Đinh- Lê- Lý đã được xây dựng ở đây dự trên chính sự hiểm trở của các "thành lũy", "cung", "kiếm"… độc đáo khu vực này.
Đặc biệt, không nơi nào trên thế giới có được cảnh quan của một Vịnh Hạ Long thực thụ nhưng đã trở thành "hóa thạch, nổi lên trên cạn" như ở đây. Nguyên nhân làm cho "Vịnh biển cổ Hoa Lư" của Ninh Bình trở thành một "Vịnh Hạ Long trên cạn" nằm ở đặc thù của quá trình phát triển đồng bằng châu thổ Sông Hồng và tiếp đó là do hoạt động nhân sinh đắp đê ngăn lũ và quai đê lấn biển của người Việt từ thế kỷ IX, X đến nay. Mặc dù biển đã trở nên "xa" Tràng An từ nghìn năm nay song cảnh quan "Karst nhiệt đới bị biển xâm lấn và biến cải" vẫn được giữ nguyên và trở thành niềm tự hào riêng có của Ninh Bình, với các núi, đảo karst mang trên mình nhiều dấu ấn của biển như các clif, các ngấn sóng vỗ có hàu hà bám, các thềm mài mòn, các hang luồn…, những danh thắng có giá trị không thua kém các danh thắng của Vịnh Hạ Long.
Một mức ngấn biển thứ hai- trẻ hơn, ở độ cao khoảng 1,5-2,5 m so với mực nước hiện đại cũng được quan sát thấy ở nhiều nơi, trong đó có cả các địa danh nêu trên, đóng vai trò biến cải và xóa nhòa các ngấn biển cổ hơn, thí dụ ở bờ sông Tam Cốc - Bích Động, gần đền Thái Vi, ở chân núi Non Nước…
Mức ngấn biển thứ ba, cổ hơn cả, quan sát thấy rất mờ nhạt ở độ cao khoảng 25-30m, tương đương với một mức hang. Một thí dụ điển hình còn được bảo tồn khá tốt quan sát được ở khu vực Hang Hai- Hang Ba, tức là đã vào sâu trong khối karst sót Tràng An. Lý giải cho hiện tượng này có thể là vị trí như vậy sau này bị khuất, không bị các tác động phá hủy của dòng chảy, sóng và gió… nên vẫn còn sót lại cho đến ngày nay. Mức ngấn biển này được cho là hình thành trong đợt biển tiến cuối Pleistocen giữa- muộn (gian băng Riss-Wurn, 40.000-20.000 năm trước) tức là ngay sát trước kỷ băng hà Wurn cuối cùng (18.000-7.000 năm trước). Đặc biệt ở rất nhiều nơi trên các ngấn biển cổ 4-7m vẫn còn dính bám dấu tích của hàu, hà. Hơn 20 mẫu đã được thu thập để phân tích tuổi tuyệt đối bằng phương pháp C14.
Mặc dù quy mô không lớn, khối đá vôi Tràng An vẫn phản ánh rất rõ quy luật phát triển có tính giai đoạn của quá trình karst hóa từ ngoài rìa vào trung tâm khối, thể hiện qua sự phân bố các kiểu cảnh quan karst: "Đồi karst sót tách biển đồng bằng", "đỉnh liên kết thung lũng", "đỉnh liên kết trũng sụt kín"… Về địa mạo có thể coi phạm vi có phân bố các kiểu cảnh quan karst như trên là cơ sở tự nhiên để phân định vùng lõi, vùng đệm của khu vực di sản.
Nguyễn Thơm