牛山為一杓子形海灘，南臨峭壁海崖，北有沙礫灘連接水璉村，海灘上礫石的質地以石英岩、先第三紀變質岩及海岸山脈來源的安山岩圓礫外，南側的地層為都巒山層與八里灣層，北端則為蕃薯寮層。

都巒山層以海岸山脈南段高峰都巒山為標準露出地點，由安山岩質的火山岩流、岩脈、集塊岩、礫岩、凝灰岩與凝灰質砂岩組成。形成時代為早期中新世至早期上新世。而八里灣層則分為水漣、富田與富源等三個岩段，水漣段以礫岩為主，富田段以泥岩為主，富源段以砂頁岩互層為主。其沉積物來自西北側古中央山脈的亞變質岩區與逆衝至大陸斜坡上的海洋沉積與海洋地殼碎塊，其沉積時代為晚期上新世至早期更新世。

本區由於岩層強弱與抗侵蝕能力的不同，並在海水的差異侵蝕及東北季風的作用下，使得南側呈現陡崖，北側展開平緩。牛山地區（水璉北溪至蕃薯寮南溪間）地層有3個連續褶皺，且西側有蕃薯寮逆衝斷層通過，推論係北側火山島弧撞碰大陸邊緣所造成。

本區南側海濱有兩條小型間歇河，南側海階面上方有潛移小階發育，緩慢潛移造成的潛移小階，在牛山南側陡崖斜坡上出現紡錘型網絡，頗為秀美；南、北海階崖皆可發現貝類化石。