Region Puszczy Białowieskiej, położony na pograniczu Niziny Północnopodlaskiej, ma bogatą i złożoną historię geologiczną, która sięga setek milionów lat wstecz.
Obecny krajobraz i rzeźba terenu są przede wszystkim efektem procesów polodowcowych z plejstocenu, choć ukształtowanie geologiczne obszaru zaczęło się znacznie wcześniej.
Najgłębsze warstwy geologiczne regionu tworzą skały prekambryjskie i paleozoiczne (łupki, piaskowce, margle i wapienie), leżące bardzo głęboko pod powierzchnią.
Nad nimi zalegają osady mezozoiczne i kenozoiczne, głównie piaski, gliny i iły.
Obszar był wielokrotnie pokrywany przez morza i jeziora, które pozostawiły osady morskie i jeziorne.
Około 200 tys. – 10 tys. lat temu przez region kilkakrotnie przechodziły lądolody skandynawskie.
Ostatni zlodowacenie (bałtyckie) miało decydujący wpływ na ukształtowanie terenu Puszczy:
Lądolód przyniósł ogromne ilości materiału skalnego: żwirów, piasków, głazów narzutowych i glin zwałowych.
Wytworzyły się formy polodowcowe: równiny sandrowe, moreny denne, pagórki oraz obniżenia wypełnione torfami i jeziorami.
Po ustąpieniu lodowca (ok. 12–10 tys. lat temu) nastąpił rozwój sieci rzecznej i powstawanie dolin rzecznych, m.in. Narewki, Hwoźnej i Leśnej.
W okresie holocenu (ostatnie 10 tys. lat) klimat się ocieplił, a lądolód ustąpił całkowicie.
Rozpoczął się rozwój roślinności – najpierw tundrowej, potem lasów borealnych i liściastych.
Powstały torfowiska, gleby bagienne, brunatne i bielicowe.
To w tym czasie rozwinęły się charakterystyczne dla Puszczy siedliska leśne, np. grądy, bory mieszane, łęgi i olsy.
Brak wyraźnych form górskich – teren jest płaski lub falisty, z nieznacznymi różnicami wysokości (najwyższe wzniesienia mają ok. 180 m n.p.m.).
Liczne gleby pochodzenia lodowcowego: gliny, piaski, żwiry.
Obecność torfowisk niskich i przejściowych – istotnych z punktu widzenia przyrody i klimatu.
Zróżnicowana budowa geologiczna i różnorodne gleby stworzyły warunki do powstania unikatowego lasu naturalnego o wysokim poziomie bioróżnorodności.
Polodowcowe rzeźby terenu i zróżnicowanie wilgotności sprzyjają występowaniu wielu mikroekosystemów.