Геоморфоложкото развитие на територията на Парка се проследява няколко стотици милиони години, като се обособява на следните последователни процеси:

• Първоначален метаморфизм и планинообразуване (309-228 млн. г.)

• Последващо формиране на воден басейн, в който се отлагат седименти и се извършва интензивна магмена дейност и нов метаморфизъм (170-160 млн.г.)

• Интензивна магмена дейност и ново издигане на планински вериги, свързани с процесите на сблъсък по южния ръб на Евразиатската плоча (100-80 млн.г.)

• Съвременно моделиране на релефа в следствие на процесите на изветряне и ерозия. За дълбокото ждреловидно врязване на някои речни долини влияние имат и последните заледявания, през които нивото на Световния океан е спаднало с няколко десетки метри. Лиманът на река Велека, например, продължава около 8 км навътре в сушата. За геоморфоложките процеси значение имат и неотектонските движения. Крайбрежието потъва с няколко милиметра годишно, докато други части от района се издигат.