地形
馬込川流域は全体的に砂・砂利が多く、浜松市神田町・白羽町あたりまでは扇状地平野、それより南側はかつての中洲や自然堤防の名残である砂礫質の台地と、旧河道や後背湿地が入り乱れる沖積平野が広がっている。現在では、市街化等に伴う人工的な地形改変が進み、それらの形跡もなくなりつつあると同時に、区分も困難となっている。
流域一体の低地は、天竜川の氾濫原として形成されたものであり、堆積物が多く分布している。下流の河口に近い部分は海岸線に並行する砂洲・砂丘などの海岸地形が広がっているため、馬込川は一部流路を変えていったん東に流れ、砂丘地帯を切るようにして遠州灘へ注いでいる。
馬込川河口の西側に位置する中田島砂丘は、渥美半島南側の海食崖に由来する砂が風で運ばれ、沿岸洲として堆積したものである。静岡県の中では最も規模が大きく、自然の状態もよく残されている海岸砂丘である。
地質
馬込川流域の地質は、大部分が第四紀に形成されたものである。上流には第四紀更新統の段丘礫質堆積物が分布しているが、流域のほとんどは、天竜川氾濫原の第四紀完新統に形成された砂・礫・泥の層である。