Naturräumlich liegt der Naturpark Rheinland in der Südspitze der Niederrheinischen Bucht. 

Die Ausprägung der Landschaft im Naturpark ist überwiegend flach. Ausnahmen bilden die Ville, ein ca. 50 km langer Höhenzug, der den zentralen Teil des Naturparks in seiner Längsrichtung durchzieht, sowie im Süden das Drachenfelser Ländchen und der Übergang zur Eifel. 

Die Ville erhebt sich 80-100 m über die Börde und die Rheinebene. Verantwortlich für die Entstehung dieses sogenannten tektonischen Horstes sind Bewegungen der Erdoberfläche, die bis ins Tertiär (vor ca. 65 - 23 Mio. Jahren) zurück reichen und noch heute andauern. 

Auch im Drachenfelser Ländchen reichen die Ursprünge des heutigen Landschaftsbildes ins tertiäre Erdzeitalter zurück. Die damaligen vulkanischen Aktivitäten haben die verschiedenen Basalt- und Trachytkuppen entstehen lassen, die der Landschaft heute einen Mittelgebirgscharakter verleihen. Nur der Rodderberg stammt aus dem späteren Quartär (vor ca. 2,4 Mio. Jahren). Er ist einer der jüngsten Vulkane Westeuropas.

Die unterschiedlichen Landschaften des Naturparks präsentieren sich heute als das Produkt einer über Jahrtausende langen Bewirtschaftung durch den Menschen. Die Voraussetzungen für die Tätigkeiten des Menschen wurden jedoch in geologischen Zeitaltern festgelegt. 

Bereits früh wurde das Gebiet des heutigen Naturparks durch den Menschen besiedelt und landwirtschaftlich genutzt. Die Ursachen hierfür reichen bereits bis in die kalteiszeitlichen Phasen des Quartärs zurück. Damals lagerten Rhein- und Eifelflüsse Sedimente ab. Sie wurden in den extrem kalten Klimaphasen von Löß bedeckt, aus dem sich sogenannte Braunerden, besonders fruchtbare Böden, entwickelten. 

Bereits im Tertiär fanden Prozesse statt, deren Auswirkungen noch heute eine große Rolle spielen. Aus tropischen Sumpfwäldern, die mehrmals vom Meer überflutet worden sind, entstand Braunkohle.
Der Abbau dieses Rohstoffes prägt das Bild der Landschaft im mittleren und nördlichen Naturpark. Die zahlreichen Seen der Ville-Seen-Platte sind aus ehemalige Braunkohlegruben des 19. Jahrhunderts entstanden. Die jungen Wälder sind zum großen Teil das Resultat der Rekultivierung, die nach dem großflächigen Abbau der Braunkohle im 20. Jahrhundert durchgeführt wurde.