从地质学上讲,琼州海峡位于海南岛和雷州半岛断陷的中部,而断陷指的是受地壳断裂带造成的地块下陷。根据最新研究,从晚第三纪(距今2500万年前-250万年 前)开始,由于地壳断裂和地块差异性运动,导致雷州半岛与海南岛之间地块断裂下沉,形成地堑式凹陷。冰后期海平面上升,海水淹没了凹陷潮流的反复冲刷,波浪和 河流的长期塑造,最终形成今日的琼州海峡。而6000多年来,海面上升到与相当位置后,地壳运动的升降趋小。
琼州海峡两岸的海岸曲折,呈锯齿状,岬角和海湾犬牙交错,而它的海底基本上是个潮流通道,其大体组成为一个中央潮流深槽及东西两端两个潮流三角洲。深槽是潮流强烈冲刷的地方,槽内地形起伏不定,深槽主槽轴水深大于80米。在深槽形成的深水盆地中,却还断断续续地分布着椭圆形的隆起地形,它是由潮流冲蚀而成的。
琼州海峡东口,在水深30米以内发育着一个潮流三角洲。其间浅滩和水道相间分布。它们从海峡东口向东大致呈扇状辐射排列。
在海峡西口,水深20米以内也发育着一个潮流三角洲,其间长条形的浅槽和水下浅滩相间分布,它们自海峡西口向西北方向呈辐射状排列。