Các đá cấu tạo đảo Lý Sơn có tuổi Holocen muộn, được phân chia thành 5 phân vị địa tầng từ trẻ đến cổ, gồm: 1) tích tụ biển hiện đại (Q23.f)
2) trầm tích biển thềm 1 (Q23.e)
3) bazan dòng chảy (Q23.d) và trầm tích vụn núi lửa phun nổ (Q23c)
4) cát kết san hô (Q23b) và 5) đá rạn san hô (Q23a). Địa mạo đảo Lý Sơn được đặc trưng bởi: các núi lửa phun nổ nhô cao trên đảo phổ biến có miệng dạng trũng, bazan dòng chảy hình thành lớp phủ thấp dưới chân các núi lửa
thềm biển và bãi biển chủ yếu cấu tạo bởi cát kết san hô, đá rạn san hô phân bố xung quanh đảo. Sự phá hủy đáng kể của sóng biển vào sườn núi lửa và lớp phủ bazan đã hình thành các dạng địa hình lý thú ven đảo như: vách biển, hang biển, bờ biển đá, tháp đá..., trong đó hấp dẫn nhất là vách biển Hang Câu - Chùa Hang, nơi để lộ mặt cắt cấu trúc núi lửa và quan hệ địa tầng giữa đá vụn núi lửa phủ trên các lớp cát kết san hô.