Adventfjorden er skapt gradvis gjennom erosjon over millioner av år. Geologien er ung, eldst er de drøyt 100 millioner år gamle lagene av sandstein, skifer og kull fra perioden kritt i nord ved Revneset. Kullet er avsatt av en fauna av dinosaurer og vegetasjon, mens kullagene lengre inne i fjorden og dalen er fra yngre tertiær og stammer fra tiden da Longyearbyen-bassenget var en grunn innsjø med skogkledde strender rundt. Østover blir generelt bergartene gradvis yngre, med variasjoner av sandstein, skifer, leirskifer og kull innover Adventdalen. Erosjon og glasiale prosesser i kvartær (siste to millioner år) bidro til å forme ut en U-dal og erodere grunnen ytterst i det som ble Adventfjorden. Flate og jevnt formede fjellsider har sin bakgrunn i at mykere skifer har blitt erodert sterkere enn hardere sandstein, hvor sistnevnte står igjen som formasjoner når skifersteinen er borte.