石门洞属浙东南沿海地层分区，以中生界火山岩系特别发育为特征，为一套巨厚的喷发岩为主体，岩性以酸性流纹岩和凝灰岩为主的酸性间夹中、基性陆相火山岩建造。地质构造以断裂为主，褶皱不发育。景区地貌以丘陵山地为主，大溪北面为括苍山脉，大溪南面为洞宫山脉，本区大部分为洞宫山脉的一部分，为浙江省最高的地貌区范围，地势由西南向东北倾斜。因切割强烈，地型复杂，大多均为海拔700-800米的低山，山坡坡度多在25度以上。北部大溪河谷，滩地多，江面宽200-400米，海拔仅20米。景区属中亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明，降水充沛。且垂直差异明显。年平均气温从入口江滨到师姑湖景区约为18℃递减至14℃，年均降水量1480mm。水文溪流山坑发育，山涧瀑布众多，水质国家一级地表饮用水标准。瓯江大溪多年平均经流量约200亿立方米，水质国家地表饮用水二级标准以上，植被森林覆盖率达94%。