徐霞客30多年的旅行考察，看见过许多地貌形态。记录在游记中的地貌类型就有岩溶地貌、山岳地貌、红层地貌、流水地貌、火山地貌、冰缘地貌和应用地貌7种，被他描述过的地貌形态名称多达102种，其中中国西南地区岩溶地貌尤为详细。
地表岩溶方面，徐霞客通过实地考察我国东南、中南和西南地区岩溶地貌最发达的地区，非常全面而系统地记录了这些地区地表岩溶的各类地貌形态，如石芽、溶沟、岩溶裂隙、落水洞、漏斗、竖井、溶蚀洼地、岩溶槽谷、岩溶盆地、盲谷、干谷、岩溶嶂谷、天窗、天生桥、岩溶湖、岩溶泉、峰林、孤峰、岩洞、穿山、溶帽山等。徐霞客还对岩溶地貌的分布范围及地区差异作了精辟的论述。由此可见，徐霞客对地表岩溶地貌已有一套系统的分类和命名。
地下岩溶方面，内容十分丰富，包括溶洞洞穴堆积、地下河、地下湖、洞穴瀑布等。《徐霞客游记》中记载的溶洞共288个，经他亲自入洞考察的有250个，占87%，这个数字不包括他游过但现存《徐霞客游记》中没有记载的溶洞，如张公洞、善卷洞等。描述洞穴的内容包括洞穴大小和洞口方向，洞穴类型和形态结构，洞穴堆积，洞穴生物，洞穴气候，洞穴音响，洞穴考古，洞穴利用，洞内石头的颜色，洞穴成因等12项。有的地方还记述了他考察洞穴的技术。
另外，《徐霞客游记》在我国地学史上第一次较全面地对自然地理现象进行了理性探索。在《徐霞客游记》之前，《禹贡》《五藏山经》《汉书·地理志》《水经注》等都包含有较丰富的自然地理知识，涉及地貌、河流、湖泊、生物、矿产等内容。一个特别引人注目的现象就是，分析自然地理现象的成因一项，前三部作品均为0次，《水经注》为3次，而《徐霞客游记》为57次。
有学者研究表示，徐霞客就海拔高度、地理纬度、气候等因素对植物的影响，河流的侵蚀作用等问题都作了符合现代科学的分析。可以说，在徐霞客之前，地学著作对自然地理现象主要停留在纯客观描述的阶段，徐霞客超越前人，第一次有意识地对自然地理现象的成因作了理性的探索和科学的分析。《徐霞客游记》是第一部较全面地对自然地理现象进行理性探索的地学著作，在我国地理学史上具有划时代的意义。