湾是经萨摩半岛东南部阿多火山臼系列火山活动而形成的一个火山口遗迹。约5500年前，也就是在池田湖、鳗池形成的同一时期，鹿儿岛湾一侧海岸附近发生了岩浆水蒸汽爆炸，形成了一个直径约2公里的洼地。洼地东侧火山壁山崩后，海水涌入形成了半圆形的海湾。后来南侧附近的沙咀再向北伸，便形成了目前的地形。爆炸产生的大量喷发物遗留在周边地层，有的厚达30zh-hans:米; zh-hant:公尺;。山川湾地质活动频繁，与成川盆地、池田湖、鳗池、池底和松洼等活火山群一道被日本气象厅指定为C级活火山地带，受到严密监视。