大金山岛属基岩岛，岛上岩石裸露，岛坡陡峭，坡下第四系崩塌堆积发育，岛顶有第四系残坡积物分布，植被茂盛，岛岸为砾滩。岛上出露地层为上侏罗统磨石山组火山岩系，岩性主要为：灰白色石英岩、石英班岩、英安质角砾凝灰岩、流纹质凝灰岩、长英岩等。
大金山岛为地层倾角很大（>70°）的单斜层所构成，地层走向大致与山形一致。岛中部及东部有三条平行排列之横断层，均由西而东、由北向南推移成叠瓦状。该岛岩石破碎蚀变，北坡和南坡有两条破碎带，相互平行。岛上裂隙发育，有大量岩脉侵入，有金属矿脉存在。大金山岛岩性以酸性石英斑岩，夹杂有流纹岩、火山角砾岩、英安岩等。该岛受波浪侵蚀，形成海蚀崕、海蚀平台和海蚀柱等地貌形态。在岛的西南部有一片长750米、宽50～60米的砾石滩。镜铁矿脉 出露该岛东南端突出的海嘴上，呈脉状充填于岩石解理中，宽约8米，长约15米，向上延至崖顶，周围解理中有镜铁矿细脉。
赤铁矿 在镜铁矿脉两侧有劣质赤铁矿，呈扁豆体，厚约12厘米，长70厘米。
高岭土 共见6层，各层厚70～90厘米，矿脉分布不稳定，断续分布。大金山岛土壤类型为褐色山地黄壤。岛上植被属中亚热带地带性植被，受人类影响较小，仍保持着原始植被状态。岛上植被茂盛，落叶阔叶林有日本野桐、黄檀、算盘子群落；常绿阔叶林有红楠群落和青冈砾群落。此外，还有竹林，类型有篌竹群落等。岛上还有灌木、草本植物和蕨类植物分布。由于该岛远离大陆，遭受人类影响较小，基本上仍保持着原始状态，是“金山三岛海洋生态自然保护区”中最大的岛屿。
