在地理學上,長洲原本是兩個小島,但是受到島嶼形狀及季候風影響,海浪將海沙帶到兩島之端,形成沙咀。經過千萬年來日積月累的沉積,兩條沙咀不斷延長,最終連接起來,形成連島沙洲。正因如此,現今長洲南、北的形狀闊而大,但中部則窄而長,形狀呈啞鈴狀,故長洲又稱作啞鈴島。
長洲南、北本為小島,因此地質由花崗岩構成;至於中部由海洋沉積物組成,屬於地表沉積物;正因為此原故,加上受到鄉村條例所監管,所以長洲大部分的建築物均只有3層高。長洲南、北皆山丘,中部為平坦土地,北部山丘較高,最高點有95米高。
西灣長年風平浪靜,因此成為了天然的避風塘,而長洲碼頭亦設於西灣。在長洲西南的鯆魚灣和白鰽灣,以及南部及東南部一帶,由於海浪較大,亦以滿佈奇石聞名。較著名的奇石有五行石、龍王石、鰻魚石、坦克石、花瓶石和人頭石等等,故當地又名長洲趣石林。
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