龙湾境内出露地层为中生界侏罗世、白垩世火山沉积岩和第四纪沉积层。大罗山丘陵区属侏罗系西山头组，主要由酸性火山碎屑岩组成，间夹沉积岩，局部地段夹少量中性熔岩。燕山晚期钾长花岗岩侵入体分布广泛。状蒲平原和永强滨海平原，属第四系海积—冲积沉积层，由灰、青色淤泥质亚黏土、黏土夹粉细砂等组成，局部产贝壳、泥炭，厚度50米以上。龙湾区东部是地势低平、河网密布的滨海平原，西部是以岩体裸露为特征的大罗山，大罗山以西为温瑞平原。滨海平原东到海岸，西起大罗山，南至瑞安市的莘塍平原，北靠瓯江，面积约有150平方千米，地形平坦，地面高程一般为2.60～3.80米。平原南北长、东西窄，永强塘河于平原西部纵贯南北。平原地区气候宜人、物产富饶，有“鱼米之乡”的美誉。

龙湾区境西高东低，西南部以岩体裸露为特征的大罗山丘陵地带，丘陵区系雁荡山脉大罗山支脉，山势连绵，冈峦起伏，溪谷错综。山势以南北横亘，东西支脉分延。海拔20～700米，龙湾区界内约占70平方千米。

大罗山位于温州市区东南，东近东海，西接瓯海区，南连瑞安市，北达瓯江口，山体面积114平方千米。大罗山，因其峰峦状似罗伞，故名大罗山。大罗山顶海拔704米，位于龙湾、瓯海交界。大罗山岩石结构大多为花岗岩，山体由于风化、侵蚀作用，岩体大多裸露，山势婉约柔和。大罗山历史文化积淀深厚、山水风光隽秀。山中有仙岩、茶山、瑶溪和天柱寺四大景区，其中瑶溪和天柱寺景区在龙湾区境内。

龙湾区河流纵横交错，河网密布。瓯江流经龙湾区总长度27.77千米，水域面积19.60平方千米。全区有主要河道267条，总长度416千米，总面积837万平方米。其中，属温瑞塘河水系42条河道，总长度69千米，面积173万平方米；永强塘河水系有225条河道，长度347千米，面积664万平方米。轮船河、上横河、下横河、瑶溪河等为主要河流（道）。

北策岛，旧称北插山，南面与南策岛、东策岛相邻，北面与洞头半屏岛相望，地理位置为北纬27°46′27″、东经121°07′55″。北策岛（0.74平方千米）与东侧虎洞岛（0.18平方千米，别名月土尔山）相连，通称“北策山”。两岛之间有一滩坝，大潮时坝身被淹没，平潮时坝身凸显，为两岛互通之要道。整个北策岛面积约0.92平方千米，最高处海拔158.20米，因处福州与上海航道干线，又称“北策门航道”。1963年，海军某部在山上建造“北策岛灯桩”；1983年3月，移交温州航标处管理。北策岛为区境永兴街道水潭村王氏先祖山地，该村渔民世世代代在北策山捕鱼、种山。由于渔业萎缩，渔民投身商海大潮，在岛上养羊、张网作业的仅王茂文等人。为开发北策山资源，2003年、2008年，龙湾区人民政府及区农林局先后拨款修建码头、架设电柱，为北策山开发奠定基础。