Dno doliny zbudowane jest z mad rzecznych z dziewięcioma poziomami terasowymi; występują tu też wydmy i starorzecza (wodne lub torfowe). Dolina jest chroniona wałami przeciwpowodziowymi przed częstymi wylewami Wisły.
Prawy brzeg doliny koło Chełmna jest silnie pocięty wąwozami, zaś odkrywki na stromych zboczach pozwalają odtworzyć dzieje dolnego Powiśla w czasie ostatniego zlodowacenia. Szczególnie malownicze są wzniesienia znajdujące się bezpośrednio nad nurtem rzeki. Można je spotkać m.in. w Kozielcu i Świeciu (Góry Diabelce, Góry Wiąskie, Czarcie Góry).
Dno doliny zajmują pola uprawne i łąki oraz rozproszone osadnictwo. Na powierzchni zalegają żyzne mady rzeczne o przeciętnej miąższości 2–3 m. Są to holoceńskie osady akumulacji rzecznej, które zalegają na piaszczystych osadach interglacjału eemskiego lub bezpośrednio na utworach trzeciorzędowych (piaski, mułki, iły).
W okolicach Ostromecka, Rafy oraz Chełmna zachowały się fragmenty lasów łęgowych z udziałem topoli, dębu, wiązu, jesionu i olchy, częściowo chronione w rezerwatach przyrody.