Por ser parte integrante do território de Itaboraí, o perímetro do PNM Paleontológico e seus arredores ficam inseridos na Região Hidrográfica V (RH-V) – Baía de Guanabara, especificamente na bacia da Baía de Guanabara e sub-bacia do Caceribu.
O corpo hídrico mais representativo identificado é a lagoa de São José, localizado no interior do Parque, cuja formação é posterior ao fim das atividades da antiga Companhia Nacional de Cimento Portland Mauá. Atualmente, existe um conflito associado à lagoa que envolve três dimensões distintas de uso, sendo o turístico (contemplação da paisagem da lagoa); para fins de abastecimento (utilização da água por moradores) e de pesquisa científica (drenagem necessária para continuidade dos estudos), conforme apontam Souza (2008) e Santos (2010).
Os principais recursos hídricos identificados na região do Parque, consultada a base cartográfica do Projeto RJ 1:25 do IBGE, são o rio Frio e o rio Pitanga ou Cabuçu.
O relevo da região do PNM Paleontológico de São José insere-se no contexto dos movimentos tectônicos que originaram as serras do Mar e da Mantiqueira, os maciços litorâneos e as áreas mais baixas formadas por pequenas bacias sedimentares, como a Bacia de São José de Itaboraí (BERGQVIST et. al, 2002).
De acordo com Nunes Junior et. al (2006), o entorno da bacia apresenta morfologia de colinas aplainadas e estruturais, além de terraços colúvio-aluvionares e depressão estrutural, associados a uma estrutura morfoestrutural mais elevada (interflúvios estruturais e encostas falhadas ou dissecadas). Associam-se, a esta paisagem, solos do tipo litossolos, cambissolos e afloramentos rochosos das encostas serranas e colinosas; planossolos dos terraços colúvio-aluvionares e os hidromórficos das várzeas (NUNES JUNIOR et. al, 2006).
De idade paleogênica, a bacia apresenta depósitos tipicamente continentais, com sedimentos principalmente de origem química (rochas calcárias) que foram recobertos por camada de sedimentos rudáceos. A partir das fendas de dissolução presentes no depósito calcário, foi possível encontrar a maior parte dos vestígios de antigos animais e vegetais identificados na bacia, que a projetaram para o meio científico internacional. Além do rico conteúdo fossilífero (mamíferos, répteis, aves, anfíbios, vegetais, gastrópodes e uma ocorrência de palinomorfos e ostracodes), a bacia contém importantes registros da ocupação humana nas Américas (BERGQVIST et. al, 2002).