龜山島為火山島地質。目前仍有溫泉及硫氣孔等火山相關活動，屬於活火山。島上有兩個湖泊，分別為較小的龜首湖（潭）和較大的龜尾湖（潭），另有溫泉、冷泉、海蝕洞、硫氣孔等景觀。特殊動植物生態及海洋資源相當豐富。

從宜蘭縣各處所看到的龜山島樣貌是相當不同的，隨著地點有時可以看到龜山頭，有時則為龜身所隱，龜山頭的外型可能形似烏龜頭（從頭城鎮東北角如石城、大溪一帶觀看），也可能呈現三角形（從羅東鎮、五結鄉觀看），這樣的特色更使的龜山島名聲遠播，而造成的原因是因為蘭陽平原海岸線呈現弧形，視線可環繞住本島，因而出現如「龜山轉頭」等這樣的詞。

在民間傳說中，龜山島是隻大母龜，在明朝鄭成功率軍到台灣時，大母龜攻擊鄭成功，於是鄭成功一箭將牠射傷。母龜在產下卵後化成龜山島，硫氣孔便是當年被射中的傷口。
另一則傳說，是龍王宮裡的龜將軍與龍王公主私下戀愛，造成龍王不悅，因而將龜將軍變成島，公主則被化為風光旖旎的蘭陽平原，永遠只能隔海遙遙相望。而這段淒美的故事，在地理師眼中，則是風水上「龜蛇守海口」的大好形勢：龜山島和蘭陽平原沿岸連綿不斷的砂丘（蛇）正好維繫了蘭湯平原的地氣，使得蘭陽豐衣足食。