一、地质
泰山地处中国东部大陆边缘构造活动带的西部，位于华北地台鲁西地块鲁中隆断区内。其北以齐河—广饶断裂为界，南以泰前断裂与泰莱盆地分界，其东界为文祖断裂，西界为长清断裂，东西长60公里，南北宽50公里，其断块凸起总面积约3000平方公里。泰山出露地层主要有晚太古代的变质表壳岩系泰山岩群。泰山在晚太古代早期（距今28—29亿年前）形成的变质表壳岩系泰山岩群，主要由斜长角闪岩、角闪变粒岩、黑云变粒岩、透闪片岩、阳起片岩、蛇纹岩所组成。泰山的侵入岩分布广泛，主要为早前寒武纪侵入岩和极少量的中生代脉岩。泰山的早前寒武纪侵入岩，占泰山主体面积95%以上，是泰山古老陆台不断增生和固结形成的物质基础。根据岩石类型、分布特点和同位素年龄资料，划分出四期侵入岩和13个主要岩体（见表4-1）。泰山作为中国研究早期寒武纪地质的经典地带和古老陆台形成演化的窗口，代表了地球演化历史早前寒武纪阶段的突出模式。泰山新构造运动的方向以垂直升降为主，其活动强度在垂直及水平方向的差异性非常显著。泰山新构造运动对今泰山形成起到决定性作用。
二、地貌
泰山总体地势，具有北高南低、西高东低的特点。按形态和成因，泰山发育的地貌有四种主要类型：
侵蚀构造中山 集中分布在泰山主峰玉皇顶周围，以及西北部的老平台、黄石崖、黄崖山一带。海拔在1000~1500米左右，侵蚀切割深度为500~800米。组成山体的岩性主要是早前寒武纪二长花岗岩类的岩石，此处“V”字形谷、峡谷广泛发育，跌水瀑布和大小冲沟到处可见，二长花岗岩柱状节理和水平节都比较发育，重力崩塌作用显著，崩塌后常形成绝壁陡崖。
侵蚀构造低山 主要分布在侵蚀构造中山外缘的傲徕峰、中天门、蒋山顶、尖顶山、歪头山、摩天岭等地带，以及东北部的鸡冠山和青山一带。海拔在500~1000米之间，切割深度为100~500米。组成山体的主要岩性为早前寒武纪的二长花岗岩类和闪长岩类的岩石。地形陡峻，多见深沟峡谷、尖顶山头、锯齿状山脊、绝壁陡峰。
侵蚀丘陵 主要分布在山南及东北部的侵蚀低山周围、大河至虎山及黄前一带。海拔在200米左右，基岩多为早前寒武纪的片麻状二长花岗岩，以风化剥蚀作用为主，多形成孤丘缓岭。
山前冲洪积台地 主要分布在山体外围山麓地带。海拔在100米左右。以堆积作用为主，樱桃园、大众桥一带山前谷口的冲洪积扇比较发育。
在新构造运动的影响下，泰山形成了很多小型或微型的侵蚀地貌景观，如大直沟、三岔沟的峡谷地貌，百丈崖、扇子崖的峭壁地貌，天烛峰、傲徕峰的奇峰地貌，以及壶天阁的谷中谷、樱桃园的扇中扇等险峻而奇特的地貌景观。此外，泰山还发育有众多三级型的微型貌，如斗母宫三潭迭瀑等。
三、地层
泰山出露的地层主要有新太古代的变质表壳岩系泰山岩群，以及其北侧张夏—崮山一带的古生界寒武系、山南盆地中的新生界等沉积地层。
1.太古界泰山岩群（Arty） 泰山岩群因受后期多期岩浆侵入活动和变形作用的改造，岩层出露比较支离破碎，往往作为残留地质体赋存在众多新太古代和古元古代的侵入岩中。
泰山岩群的产出情况有两种类型：一是以原始层状产出，层状特征明显，连续性较好，厚度比较大，主要出露在西南部的大河水库、冯家峪、南黄水湾、天平店和卧虎山等地，其中以卧虎山西坡人工剖面为最好，露头宽度达500米以上，呈北西向展布，走向为NW320°~340°，与区域构造线方向基本一致，向西延入肥城幅界首一带，向南延入南留幅下水泉一带。二是以侵入岩中的残余包体形式产出，多支离破碎，呈不连续条带、扁豆状、透镜状和不规则状，星散地分布在望府山岩体出露的地域内，如东部的青山、娄家滩、安子崖、大兰窝、孟家庄，中部的李家泉、扫帚峪、望府山，西部的桃花峪、老鸹尖、大河水库等地，其中东部的青山、娄家滩、安子崖等处的条带，连续性比较好，呈似层状，单层的厚度为数米、数十米，延展可达数公里，但总体看它们的产状十分零乱，变化很大。泰山岩群因被后期侵入岩体穿切、侵吞，并经韧性剪切变形的强烈改造，加上植被覆盖出露不够好，难以建立完整的剖面和恢复原有层序，根据泰山岩群的岩石组合特点，它可能属泰山岩群雁翎关组的上部。
泰山岩群的岩性主要为斜长角闪岩，其次为黑云变粒岩、角闪变粒岩、阳起片岩、透闪片岩等，其原岩为超基性、基性火山岩和火山凝灰岩绿岩建造。宏观上具层状或似层状、层组状（间夹不同宽度的侵入岩），以及由薄层黑云变粒岩、角闪变粒岩和斜长角闪岩交替出现构成的微层状构造。斜长角闪岩，新鲜面为黑绿色，风化后呈灰绿色直至灰褐色，中细粒结构，薄片状构造，蚀变后可变为蛇纹岩。岩石中常发育有大小不等、形态不一的长英质条纹或条带，构成各种奇特而有观赏价值的纹带图案，如桃花峪彩石溪中的彩石，它们是泰山奇石的重要源产地。在大河水库南岸，可见片状斜长角闪岩、黑云变粒岩和角闪变粒岩组成的微层状构造，并生成各种小型的柔流褶皱。在青山、安子崖一带，常见斜长角闪岩呈似层状与望府山岩体的条带状黑云斜长片麻岩或角闪斜长片麻岩一起构成宽缓的褶皱。泰山岩群中细粒斜长角闪岩测得同位素年龄为2684±165Ma（Sm－Nd），青山一带斜长角闪岩的Sm－Nd全岩等时线年龄为2840±160Ma、2820±163Ma、2826±12Ma，Rb－Sr全岩等时线年龄为2767±45Ma。因此，泰山岩群的原岩建造可能形成于2700~2900Ma之间。
2.古生界泰山岩群（Pz） 泰山的古生代地层，位于泰前断裂以南，仅在蒿里山等地有零星出露，而在泰山北侧张夏崮山一带则发育良好。1959年在全国地层会议上，张夏寒武纪地层剖面被正式定为华北寒武系标准剖面，该标准剖面把寒武系划分为下、中、上统的7个地层单位，即下统的馒头组、毛庄组，中统的徐庄组、张夏组，上统的崮山组、长山组、凤山组，分别位于张夏和崮山一带的馒头山、虎头崖、黄草顶、唐王寨和范庄等地。其中张夏馒头山是馒头组、毛庄组和徐庄组的剖面，崮山虎头崖－黄草顶是张夏组的剖面，崮山唐王寨是崮山组和长山组的剖面，崮山范庄是凤山组的剖面。
从老到新剖面简述为：
馒头组：主要由紫红色、黄绿色等杂色页岩及泥质、白云质灰岩组成。底部不整合于泰山杂岩的肉红色片麻状二长花岗岩之上。下部灰岩中含燧石结核和条带，上部页岩中具微细水平层理，中部页岩含有三叶虫－中华莱德利基虫（Redlichia chinensis）。厚度119米。
毛庄组：主要由紫色云母质页岩和灰岩组成。含刺山东盾壳虫（Shantungaspis aclis）等三叶虫、腕足类及藻类化石。厚度39米。
徐庄组：主要由紫灰色页岩和鲕状灰岩组成。其中下部的灰岩及灰质粉砂岩中常发育有斜层理和交错层理。含徐庄虫（Hsuzhuangia sp.）等三叶虫化石。厚度73米。
张夏组：主要由鲕状灰岩和藻类灰岩组成，中夹杂色页岩。含小叉尾虫（Dorypygella sp.）等三叶虫化石。厚度198米。
崮山组：主要由竹叶状灰岩、疙瘩状灰岩和黄绿色页岩组成。含蝴蝶虫（Blackwelderia sp.）、蝙蝠虫（Drepanura sp.）等三叶虫化石。厚度51米。
长山组：主要由叠层石灰岩、具红色氧化圈竹叶状灰岩、紫色页岩组成。含庄氏虫（Chuangia sp.）等三叶虫化石。厚度70米。
凤山组：主要由泥质灰岩和竹叶状灰岩组成。含济南虫（Tsinania sp.）等三叶虫化石，以及海百合茎和腕足类化石。厚度130米。
3.新生界泰山岩群（Kz） （1）第三系（R） 主要分布于泰前断裂以南的盆地内，自然露头极少，多为第四系所覆盖。岩性主要为砾岩和砂岩，砾石成分为灰岩，大小不一，多呈棱角状，钙质和泥质胶结。与下伏古生界为角度不整合接触关系，是一套山麓相洪冲积物沉积。属下第三系官庄组。
（2）第四系（Q） 在泰山周边分布较广，岩性主要为砂质粘土、粉砂质粘土，局部含砾石层，以及沟谷中的砾、砂、粉砂等，是一套山麓坡积、冲洪积相、河漫滩相和现代河流相沉积。