科学家称，下龙湾经过了超过5亿年的地质变迁，经历了造山运动，海水侵蚀，海水消退等多个过程。在奥陶纪和志留纪时期（5亿-4.1亿年以前），下龙湾是深海。在石炭纪和二叠纪时期（3.4亿-2.5亿年之前），下龙湾是浅海。

由于细密纹理的灰白色的石灰层材质和湿热气候的长期地质活动过程，下龙湾经历了2千多万年的卡斯特演变。在下龙湾形成了许多卡斯特地形。

传说很久以前，神灵派遣龙的一家来帮助越南的祖先保卫家园。龙的一家从嘴里吐出金银珠宝，这些金银珠宝变成岛屿点缀在海湾上，这些岛屿再连线起来形成一个屏障阻碍外敌的入侵。就这样，越南的祖先得以保住自己的土地，并形成一个国家，即越南。之后，龙的一家爱上了这片美丽平和的土地，因此决定住下来，不再离开。从此，下龙湾的一系列岛屿因龙的一家而得名。如：龙母从天上飞下来降落的地方就取名为“下龙”，龙的孩子们降落到他们母亲的背上的地方就取名为“拜子龙” 岛，龙的孩子们欢快的摆动尾巴的地方就取名为“白龙尾” 岛（白字用来描述龙的孩子子们摆尾时掀起的泡沫的颜色）。

1962年，越南文化体育与旅游部指定下龙湾为国家着名风景遗址。

1994年12月17日，在泰国的Phuket市举行的联合国教科文组织第18次委员会上，下龙湾被指定为世界自然景观遗产.

2000年12月2日，在澳大利亚Cairns市举行的世界遗产保护委员会第24次会议上，下龙湾因其独特的地质地貌被承认为世界保护遗址。

如今，下龙湾被列入世界自然景观7大奇蹟的候选名单。