Mierzeja Bramy Świny leży w obrębie dwóch jednostek geologicznych: wału pomorskiego i niecki szczecińskiej. Obie struktury położone względem siebie równolegle przebiegają z kierunku NW na SE. Ich granicę wyznacza dyslokacja przebiegająca w rejonie Świnoujścia. Powstanie wału pomorskiego (jura/kreda) wiąże się z wysadami solnymi - diapiry występującymi w rejonie Przytoru, Międzyzdrojów i Wysokiej Kamieńskiej.
Nieckę szczecińską wyścielają osady trzeciorzędowe, które jednak w wyniku stałego wypiętrzania (od mezozoiku) i denudacji obszaru (np. przez lodowiec) zostały w wielu miejscach usunięte (Stankowski 1976).
W samym czwartorzędzie rzeźba tego obszaru modelowana była przez lodowiec, którego największe znaczenie związane jest z pomorską fazą zlodowacenia bałtyckiego. Powstały wtedy morenowe jądra wysp Wolin i Uznam oraz szereg odwadniających je pradolin. Po ustąpieniu lodowca formujący się Bałtyk (faza Bałtyckiego Jeziora Lodowego) ulegał przekształcaniu się w morze słonawe.
W holocenie podnoszący się poziom wód morskich wywoływał kilkukrotne transgresje morskie (ostatnia największa: transgresja litorynowa 5000- 4500 lat BP). Po ustąpieniu morza na obniżonych terenach dawnych pradolin i obniżeń morenowych rozpoczęła się akumulacja morska powodująca powstanie mierzejowych fragmentów obu wysp oraz częściowego odcięcia Zalewu Szczecińskiego od otwartego morza. Tworzące się mierzeje w optimum klimatu pokrywał las dębowy (Stankowski 1976, Tobolski 1980). Tempo rozwoju mierzei - zwłaszcza mierzei Bramy Świny - uzależnione było od intensywności niszczenia klifów Wolina i Uznamu oraz dostarczania materiału osadowego w miejsce dzisiejszej mierzei. Cały holoceński etap rozwoju tej części wybrzeża oparty był i jest na wyrównywaniu linii brzegowej. Wysunięte w kierunku morza części lądu są niszczone, gdy w schowanych płytszych zatokach zachodzi akumulacja morska (Leontiew i in. 1982). Rozwijające się na przyrastającej mierzei procesy eoliczne spowodowały rozwój wałów wydm nadmorskich (Keilhack 1912).