В тектонічному відношенні територія Парку розташована у межах Східноєвропейської платформи та її складової тектонічної структури – західного схилу Українського кристалічного щита в межах Волино-Подільської плити.
У відповідності до карти фізико-географічного районування України територія Парку лежить на межі Житомирського (крайній південний захід) та Малого Полісся (крайній схід) в межах Шепетівського фізико-географічного району. Належність до Малого Полісся підтверджується такими ознаками як заболоченість і рівнинність території. У багатьох місцях кристалічні породи невеликими острівцями виходять на денну поверхню. Водно-льодовикові відклади представлені пісками та дерново-слабопідзолистими ґрунти. На значних площах зустрічаються чорноземно-лучні карбонатні ґрунти. Треба сказати, що кліматичні умови Шепетівського фізико-географічного району суворіші за клімат Малого Полісся і більш близькі до клімату південної частини Житомирського Полісся.
Земна кора Волино-Подільської плити складається з потужної нижньої товщі видозмінених кристалічних порід. Потужність земної кори становить 55 км. Багатокілометрова товща кристалічних порід складається з базальтового і більш потужного гранітного шарів.
Детальний палеогеографічний аналіз був проведений І. Рослим та ін. [Геоморфология Украинской ССР, 1990]. Він показує, що у геологічному минулому Волино-Поділля повністю або частково неодноразово вкривалося морськими трансгресіями, межі яких визначались контурами регіональних і локальних тектонічних опускань. За трансгресій великі і найбільш піднесені структури залишались суходолом. На менш підвищених великих структурах формувались архіпелаги островів, що розділялися вузькими мілководними протоками. В епохи морських трансгресій ерозійно-тектонічні і депресивні пониження, зайняті до трансгресії річковими долинами, служили тими каналами, уздовж, яких моря далеко проникали углиб суходолу, розчленовуючи останній на острівні архіпелаги і півострови.
Отже, складні за напрямками й амплітудою рухи тектонічних блоків створили досить складну, мозаїчну картину розподілу фацій і форм похованого рельєфу Волино-Поділля у мезозой-кайнозої.
Досить важливу роль у процесах еволюційного розвитку відігравали кліматичні обставини минулого. Так, у час після середньої юри у межах регіону переважали умови вологих тропіків і лише у неогені окреслився перехід до субтропічних умов. Такі умови сприяли широкому розвитку інтенсивних процесів хімічного та біохімічного вивітрювання на суходолі та формуванню карбонатних відкладів у субаквальних морських умовах. В епохи континентального та субаерального розвитку в областях поширення карбонатних відкладів відбувалося карстоутворення. Процеси карстоутворення локалізувалися уздовж зон тріщинуватості, а в рельєфі уздовж ерозійних та ерозійно-тектонічних знижень.
Таким чином, розташування Волино-Подільської плити між двома абсолютно різними геодинамічними регіонами — Карпатською геосинклінальною областю та областю Українського щита обумовило значну складність формування рельєфу у різні часи мезозою та кайнозою, що зафіксовано у будові різного за походженням рельєфу.
Палеогеографічний аналіз, проведений І. Рослим та ін. [Геоморфология Украинской ССР, 1990], засвідчує, що в юрський період Волино-Поділля було великою низовинною акумулятивною приморською рівниною, у межах якої формувалися відклади переважно озерно-болотного та алювіально-дельтового генезису.
На початку крейдового періоду більша частина Волино-Поділля була вкрита морем і являла собою складно побудований архіпелаг, розташований між відкритим морським басейном на заході і південному заході та великим материковим підняттям на сході – центральною й північно-західною частиною України.
Згідно Національного атласу України [2007] територія Парку розташована на межі двох геоморфологічних утворень – Малополіської денудаційної рівнини (західна частина) та крайнього заходу Азово-Придніпровської височини [Геоморфология Украинской CCР, 1990; Стецюк, 2010].
Сучасний рельєф території Парку суттєво залежить від рельєфу нерівності поверхні кристалічних порід. Тут гляціоалювіальна рівнина накладена на денудаційну поверхню кристалічного щита. Провідна роль у будові сучасного рельєфу належить водногенетичним формам, зокрема реліктовим долинам.