Gülbahçe Körfezi, tektonik olarak Miosen öncesi Ege’de egemen kuzey-güney (KG) doğrultulu sıkışma sonucu oluşmuş (KG), (KKD) ve (GGB) doğrultulu kırık ve çöküntülerin, bugün süren aynı doğrultudaki açılma sonucu meydana gelen (DB) doğrultulu kırık ve çöküntülerin kesim bölgesinde yer almaktadır. Bu bölge Batı Anadolu ve Ege'de ki blok rotasyonun etkisinde kalmakta olup, Orta Doğu Ege çöküntüsünü oluşturan yükselti ve çöküntü (Horst-Graben) sisteminde Karaburun yükseltisi ile Foça çöküntüsü arasında eşik görevi görmektedir. Bölgedeki bu durum yapılan gravite değerlendirmelerinde Batı-Doğu doğrultulu Karaburun-Yamanlar hattında birbirlerinden normal atımlı faylarla ayrılmış yükselti ve çukurlar ile geçiş eşikleri izlenmektedir. Gülbahçe çukurundaki sedimentler, su katmanları ile beraber 200 - 250 m kalınlığa ulaşmaktadır. Sismik değerlendirmelerde körfezde üstte Kuvaterner sedimentler onun altında ise Neojen volkanitlerden oluşan iki sismik tabaka paketi bulunmaktadır. İnce milli - killi seviyeler içeren kuvarterner sedimentleri, metan gazlarını yüzeye çıkaramayışı ve jeotermal etkinlikten dolayı yer yer şişme ve kıvrımlara neden olmaktadır. Bu durum 3.5 kHz yüksek ayrımlı sismik ve yanal taramalı sonar kayıtlarında izlenmektedir.

Gülbahçe Bay is situated at the cross - sections of the fractures and depressions trending in the N-S and NNE-SSW produced by the dominant N-S trending compression that was tectonically effective before the miocene in the Aegean, and the fractures and depressions presently still effective in the E-W direction produced again by the same extensional regime. This region, which is under the influence of the block rotations of Western Turkey and Aegean, serves as the stepping segment between the Karaburun uplift and the Foça depression within the rift system forming the Central East Aegean depression. This situation was observed as the highs and lows which are separated from each other with normal faults, in the gravity evaluation of the E-W section along Karaburun to Yamanlar. Sediments together with water column reach to the depths of 200 - 250 m in the Gülbahçe depression. According to the seismic evaluations, there are two seismic layer packages in the Bay as the top Quaternary sediments and the Neogene volcanites below perturbances and foldings are produced by the silty - clayey layers within the quaternary sediments due to the accumulation of methane at the surface and the geothermal activity. These were observed on the 3.5 kHz high resolution seismics and as well as on the side scan sonar records