Przyroda nieożywiona

Obszar Poleskiego PN położony jest na skraju głęboko zalegającej wschodnioeuropejskiej krystalicznej platformy (kraton) prekambryjskiej. Pokrywające ją utwory paleozoiczne, wykształcone są jako dolomity, wapienie, piaskowce i osady marglisto-ilaste. Okres karboński zaznaczył się na obszarze Polesia Lubelskiego akumulacją organicznego materiału, z którego powstały złoża węgla kamiennego eksploatowane obecnie w tzw. Zagłębiu Lubelskim, poza terenem Parku. Znaczenie rzeźbotwórcze dla chronionego obszaru mają przede wszystkim płytko zalegające skały górnej kredy o urozmaiconej powierzchni stropowej. Są to: kreda pisząca, margle i opoki, które osadzały się w strefie szelfowej morza o bujnym rozwoju organizmów. Osady trzeciorzędowe pozostawione przez morze sięgające peryferii Polesia Lubelskiego, zachowały się tylko szczątkowo w obrębie pagórów kredowych, leżących pośród równin i obniżeń denudacyjnych. Duże zmiany w starej morfologii obszaru nastąpiły w czasie zlodowacenia środkowopolskiego. Na terenie Poleskiego PN większe płaty utworów glacjalnych występują wokół wypiętrzonych glacitektonicznie (pod wpływem nacisku lodu) osadów kredowych w okolicy Wólki Wytyckiej, Łomnicy i Woli Wereszczyńskiej. Śladami bytności lodowca są również głazy narzutowe skał skandynawskich, osiągające średnicę nawet powyżej 1 m. Morena czołowa tworzy głównie Garb Włodawski, który wyznacza stadium recesji lodowca. Na jego przedpolu, w zasięgu obecnego Pojezierza Łęczyńsko-Włodawskiego, powstało w ten sposób wielkie rozlewisko, do którego spływały wody z topniejącego lądolodu i rzek płynących z południa. Na dnie rozlewiska, również w okresie zlodowacenia północnopolskiego, gromadziły się osady, a dopiero powstanie przełomu Wieprza koło Łęcznej spowodowało częściowy odpływ wody i przekształcenie krajobrazu na mozaikowy układ licznych, małych zbiorników wodnych. Z czasem spłycały się one i zarastały, zamieniając się w torfowiska i bagna. Otaczają one zachowane do dziś jeziora Moszne, Długie, Łukie i Karaśne, rozprzestrzeniają się także na dawnych powierzchniach jeziornych, np. Durne Bagno.

W Poleskim PN obejmującym na północy Garb Włodawski, a na południu Równinę Łęczyńsko-Włodawską, ponad poziomem równin z torfowiskami i jeziorami, wznoszą się pagóry - ostańce zbudowane z utworów kredowych, sięgające od kilku do kilkudziesięciu metrów wysokości. W ich obrębie, a także na powierzchni równin na podłożu kredowym, występują liczne zagłębienia krasowe, określane wertebami krasowymi. Pod tym względem jest to w skali Europy wyjątkowy obszar krajobrazu krasowego.
Swoją rzeźbę terenu zawdzięcza Pojezierze Łęczyńsko-Włodawskie działalności lodowca i wód polodowcowych. Po ustąpieniu ostatniego zlodowacenia istniało na tym terenie zastoisko polodowcowe. Powolny odpływ wód wynikający z płaskości terenu przyczynił się do powstania licznych torfowisk oraz zbiorników wodnych, nierzadko o astatycznym charakterze i zmiennej powierzchni.
Obszar PPN składa się z kilku płaskich mis otoczonych niewielkimi wywyższeniami. Większość obszaru Parku i otuliny stanowią rozległe równiny denudacyjne oraz akumulacyjne, zwłaszcza akumulacji organicznej (równiny torfowe). Wśród nich licznie występują zbiorniki wodne w różnym stadium zarastania. Przecinają je doliny dwóch rzek: Piwonii i Włodawki. Płaskie, równinne powierzchnie urozmaicane są wyraźnymi wypiętrzeniami różnej wielkości. Są to guzy i lokalne kredowe wyniesienia pokryte cienką warstwą piasków. Ponadto występuje szereg niewielkich, kilku - i kilkunastoarowych, niewiele wyższych od otoczenia wzgórków, rozrzuconych po całym terenie Parku, zwanych przez miejscową ludność grądzikami. Wyniesienia te, położone w centralnej części Parku, na osi północ - południe, stanowią naturalny wododział pomiędzy rzekami Piwonią i Włodawką.
Obszar Parku charakteryzują małe różnice wysokości względnej. Punktem najwyższym jest stok "Pikołowej Góry" w południowo-wschodniej części Parku na granicy Równiny Łęczyńsko-Włodawskiej i Pagórów Chełmskich o wysokości nieco ponad 200 m n.p.m. Punkt najniższy znajduje się przy wypływie rzeki Włodawki z terenu Parku, ok. 167 m n.p.m.

Na terenie Parku występuje duża różnorodność i obfitość powierzchniowych zjawisk wodnych począwszy od jezior, poprzez stawy, rzeki, rowy, torfianki oraz zagłębienia krasowe. Na dużą gęstość sieci wodnej wpływa w głównej mierze płaskość terenu oraz słaba przepuszczalność mułków i iłów powszechnie występujących pod cienką pokrywą piasków. Jednak znaczna obfitość powierzchniowych zjawisk wodnych nie idzie w parze z ogólną zasobnością regionu w wodę, spowodowaną małą ilością opadów oraz wspomnianą już działalnością człowieka. Zmiany w stosunkach wodnych na większą skalę nastąpiły po wybudowaniu Kanału Wieprz-Krzna. Powstały system odwadniający przyczynił się do obniżenia zwierciadła wód powierzchniowych i gruntowych. Oprócz tego nastąpiły znaczne zmiany w parametrach jakościowych i ilościowych wód na terenie obecnego Poleskiego PN.
Poleski PN położony jest na obszarze wododziałowym (rzek Bug i Wieprz), naturalne cieki (rzeki: Piwonia, Bobryk, Mietiułka i Włodawka) zostały w ubiegłym stuleciu znacznie przekształcone. Obecnie jedynie niewielkie fragmenty zachowały swój pierwotny charakter.
Elementami antropogenicznymi są kanały: Doprowadzalnik Bogdanka - Wola Wereszczyńska i Doprowadzalnik Wola Wereszczyńska - Zbiornik Retencyjny Wytyczno, a także gęsta sieć rowów.

Na wody stojące Parku składają się jeziora: Łukie, Karaśne, Moszne, Długie oraz stawy. Te ostatnie położone są w dwu kompleksach "Bruskim" i "Pieszowolskim". Jezioro Łukie, największe z jezior Parku, ma misę bardzo płytką, średnia głębokość to 1,8 m, maksymalna 6,5 m. Jest zbiornikiem eutroficznym, otoczonym pasem trzcin i szuwarów oraz podmokłymi łąkami. W ostatnich latach można zaobserwować silne zarastanie jeziora osoką aleosowatą. Pozostałe trzy jeziora Moszne, Długie i Karaśne to małe, płytkie zbiorniki dystroficzne, otoczone szerokim pasem splei („kożuchem" roślinności torfotwórczej, przede wszystkim torfowców). Ich misy są płaskie, a dna muliste (gytia). Warstwa wody jest rzędu 1 m.
Ponadto z przyrodniczego punktu widzenia ważną rolę pełnią drobne zbiorniki wodne jak np. torfianki (doły po wydobyciu torfu sammoistnie wypełniające się wodą) oraz rozlewiska i inne zbiorniki astatyczne. Łącznie wody stanowią około 5% powierzchni PPN.