地形
伊豆半島の地形を分類すると、北側の北伊豆平野と火山地帯・南側の山地帯に大きく分けられる。伊東大川流域は、火山地帯の中に位置しており、左岸側流域が宇佐美・多賀火山地、上流域の一部が天城山地、流域中央部から右岸側が先原溶岩台地にそれぞれ分類されている。
伊東大川流域の地形分類図（大分類）
さらに、小分類化した地形図を図2-2に示す。河川沿川は、扇状地性低地に分類されており、伊東市街地部分の大半はこの分類に含まれる。左岸流域縁部の一部は火山性丘陵地に分類されているが、この他の流域界縁部は小起伏・中起伏の山地である。起伏性山地と扇状地性低地の間には、一部台地地形もみられる。
伊東大川流域の地形分類図（小分類）
地質
伊東大川流域には熔岩、岩滓、火山灰、噴石等の火山性の地質が広く分布する。中流から下流部にかけての山地部分には、岩滓や火山灰等が分布し、透水性の高い地質であることが伺える。奥野ダムの集水域は、火山岩類が分布する。
また、伊東大川沿いに形成された低地には未固結の河床礫が分布する。
伊東大川流域の地質図