Theo các nhà khoa học Viện Địa chất - khoáng sản, khu vực này có khoảng 250 triệu năm cách ngày nay. Qua thời gian dài phong hóa bởi sự biến đổi của trái đất, khí hậu, biển tiến, biển thoái đã mang trong mình hàng trăm thung lũng, hang động… cùng nhiều loại động, thực vật quý hiếm.
Môi trường thiên nhiên đa dạng và hài hòa giữa sinh vật, hang động, thủy vực tạo nên cảnh sắc "non xanh nước biếc" hòa quyện hữu tình, thơ mộng như một bức tranh thiên nhiên kỳ vĩ khổng lồ, nơi mà di sản của thiên nhiên và của con người là không thể tách rời. Giá trị cảnh quan và thẩm mỹ của Tràng An được đánh giá là quý hiếm trên thế giới.
Quần thể danh thắng Tràng An là nơi có giá trị nổi trội về địa mạo Karst. 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.
Du khách đến Tràng An, bằng mắt thường cũng có thể nhìn thấy Tràng An là một khu vực cảnh quan đá vôi dạng thấp và dạng chuông với những vách núi thẳng đứng bị cắt ngắn và sụp đổ những tầng đá lớn do ảnh hưởng của sự biến đổi trái đất, khí hậu, biển thoái, biển tiến. Đây là một trong những khu vực quan trọng nhất trên thế giới về địa hình Karstơ fenglinh và fengcong. Một trong những nét đặc trưng của địa hình Karst fengcong là các thung lũng kín rộng lớn, các áng bị ngập chìm. Hang động cũng là một trong những nét đặc trưng nổi bật về địa hình của khu di sản.
Sau khi nghiên cứu, các nhà khoa học của Viện Địa chất - khoáng sản đã nhận thấy những giá trị địa chất nổi bật của Tràng An, đó là nơi đây có lịch sử địa chất đầy biến động. Đặc tính chuyển động kiến tạo nêu trên với sự hình thành bồn trũng bể sông Hồng - một kiểu bồn trũng trẻ đặc biệt của Trái Đất đã khống chế sự hình thành cảnh quan Karst đặc sắc của Tràng An.
Tràng An có những nét độc đáo về cấu trúc- kiến tạo với kiểu "bánh đa vỡ". Khối đá vôi Tràng An xứng đáng được coi là đại biểu duy nhất, phản ánh rõ nhất quy luật phát triển có tính giai đoạn của quá trình Karst hóa từ ngoài rìa vào trung tâm khối, được thể hiện qua sự phân bố các kiểu cảnh quan Karst "Đồi Karst sót tách biệt đồng bằng" "Đỉnh liên kết thung lũng", "Đỉnh liên kết trũng sụt kín". Đặc điểm phân bố kiểu "ô mạng" rất độc đáo của các hố sụt trẻ, đẳng thước chưa bị rỗng bên trong được bao quanh bởi các đỉnh liên kết, thể hiện rất rõ ở bộ phận trung tâm khối đá vôi Tràng An.
Các thung lũng dài và rộng liên thông với đồng bằng già nua ở bộ phận 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. Các chuyển động tân kiến tạo có dạng "mạch đập" đặc trưng dẫn tới sự hình thành các "Pediment thung lũng" và "Pediment trước núi". Đã xác định được có 3 mức pediment cao tương đương với 3 tầng hang động là 10m-20m, 20m-30m và 40m-60m.
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 ở thế kỷ IX, X đến nay.
Một cách tự nhiên, sự thành tạo các ô trũng là do chính sự phát triển của đồng bằng châu thổ: Phù sa thô (cát, sạn) của sông lắng đọng, tôn cao vùng bờ dọc, còn vùng bờ xa chỉ nhận được một ít phù sa mịn (bùn, sét, cát hạt nhỏ) và do đó, lâu dần, trở thành ô trũng. Sau này, các con đê tiếp tục ngăn cản không cho phù sa bồi đắp vào các ô trũng mà trôi thẳng ra biển, mở rộng châu thổ, đường bờ vì thế càng bị đẩy ra xa lục địa.
Quá trình đó làm cho vịnh cổ Hoa Lư thực thụ bị tách dần với biển và trở thành trên cạn. Thế nhưng, mặc dù biển đã trở nên "xa" Tràng An hàng 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.
Trong các đợt khảo sát ngắn vừa qua, sự có mặt của các ngấn nước biển cổ đã được tái khẳng định một cách chắc chắn, nhiều nơi còn được bảo tồn rất đẹp như: Hang Quàn, núi Non nước, Cố Viên Lầu, Đền Trần, Đền Thái Vi hay ở ngay cạnh khách sạn Hoa Lư…, ở độ cao 4-7m so với mực nước biển hiện tại. Ngấn nước biển tiếp tục được quan sát thấy ở các hang Trống và hang Bói, cho phép kết luận rằng trong quá khứ, biển đã từng xâm nhập sâu vào các thung, trũng giữa núi. Mức ngấn biển này được hình thành từ đợt biển tiến đến Holocen giữa, cách đây khoảng 7.000-4.000 năm, nổi tiếng thế giới với tên gọi "Biển tiến Flandrian".
Không nơi nào trên thế giới mà địa hình Karst được thể hiện dưới dạng thành lũy, hẹp, vách dốc dạng khung xương, kéo dài dạng cung, dạng lưỡi kiếm, dạng vô lăng tàu thủy (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, kinh đô đầu tiên của nước ta. Kinh đô Hoa Lư với các di tích của các triều đại Đinh, Lê, Lý đã được xây dựng dựa trên tính hiểm hóc của các "thành lũy", "cung"… độc đáo do quá trình Karst hóa diễn ra ở đây để chống lại ý đồ xâm lược của ngoại bang…
Bảo Yến