相模トラフは、北アメリカプレートとフィリピン海プレートがぶつかっている。湾内を震源とする2回の関東地震（元禄関東地震、大正関東地震（関東大震災））の震源もここである。最深部の水深は約1,600mと、駿河湾の駿河トラフ（最深部：約2,500m）と並んで、日本の沿岸で最も深いトラフの1つである（相模トラフ最深部は、相模湾からは外れた部分にある）。