Le parc marin s’inscrit dans deux grandes formations géologiques : le Bouclier canadien, socle de roches cristallines de 600 millions à quatre milliards d’années, pour le fjord du Saguenay et la rive nord du Saint-Laurent; et les Appalaches, roches sédimentaires de centaines de millions d’années, pour la rive sud et les îles de l’estuaire moyen. Entre ces deux formations se glissent les Basses-Terres du Saint-Laurent, constituées de roches sédimentaires plus récentes.

Les profils et paysages de l’estuaire et du fjord  ont aussi   été  sculptés  par divers processus : effondrements dus à des mouvements de la croûte terrestre, passages des glaciers, recouvrement par la mer.