小門嶼位在澎湖群島西嶼北端，與西嶼之間有寬約200公尺的狹窄水道相隔。地勢北高南低，東、西、北三側是侵蝕型海岸，最高處在西北部海崖，高度約30m。小門嶼的地層主要由兩層矽質玄武岩構成，下層年代約為距今15-14百萬年前以上，上層為距今約11-10百萬年前。其中，上層玄武岩年代和分布於西嶼外垵的鹼性玄武岩年代相似，分布的高度亦相近，不過西嶼外垵的鹼性玄武岩上部還覆蓋一層矽質玄武岩；而在西嶼內垵，類似高度分布的是矽質玄武岩，上部則覆蓋一層鹼性玄武岩。這樣的現象就是澎湖地區矽質玄武岩和鹼性玄武岩同時期噴發特性的縮影。小門嶼台地中間有小型向西南開口的山凹，原為西嶼的一部份，因長久的海蝕作用，而與西嶼分離。小門嶼周圍可見到海岸侵蝕的地形，例如海蝕拱門、礫石灘、海崖等。

小門嶼的海蝕拱門因為外形酷似鯨魚，再加上許多傳說，故被稱為鯨魚洞，成因推測是後期玄武岩流流動時，捲入了底部鬆軟的沉積物，後來受海水侵蝕露出後，易受侵蝕的物質侵蝕殆盡後形成的。此外，旁邊的海崖可見到兩層矽質玄武岩夾淺水相的沉積層。


小門嶼兩層玄武岩之間夾雜著淺水相的泥質與凝灰岩質沉積岩，顯示距今14百萬年前的早期火山噴發後，本地區曾經發生沈水作用而沈入水中，並堆積了含化石或生痕化石的泥質與凝灰岩質沈積層。