市内地层属华北地层区鲁西地层分区，东西横跨淄博—新泰和济南—滕州两个地层小区。泰山区、岱岳区地层分布较广，约占全市总面积60%左右。早古生代地层为寒武—奥陶系，呈条块状分布，总面积约占14%。市内地层划分为新太古界泰山岩群，寒武—奥陶纪地层，石炭—二叠纪地层，侏罗—白垩纪地层和新生代地层，均有零星分布，总体面积约200平方公里。
新太古界泰山岩群自下而上分为孟家屯岩组、雁翎关组、山草峪组、柳杭组，主要分布在新泰市孟家屯—泽国庄、雁翎关、山草峪、高家沙沟、岱岳区西南峪等地。孟家屯岩组岩性为石榴石英岩、含石榴长石石英岩、十字石黑云石榴石英岩及石榴角闪石英岩。雁翎关组岩性为一套变质超铁镁质火山岩—阳起石片岩、斜长角闪岩、具条带状构造的斜长角闪岩。山草峪组为黑云变粒岩、黑云二长变粒岩、片岩。柳杭组岩性为斜长角闪岩、斜长角闪片岩。
寒武—奥陶纪地层，呈条块状分布，总面积约占14%。岩石地层单位自下而上分为朱砂洞组、馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组、马家沟组。朱砂洞组岩性为灰色薄层状含泥质砂屑灰岩、白云质灰岩、中厚层角砾状白云质灰岩。馒头组岩性为紫灰—黄灰色薄层泥云岩为主夹页岩及砂屑鲕粒灰岩、暗紫色粉砂质页岩为主夹薄层或透镜状生物碎屑鲕粒灰岩、鲜红色泥云岩、交错层理的砂岩为主夹砂质鲕粒灰岩及页岩、紫灰色页岩。张夏组岩性为灰色厚层鲕粒灰岩为主夹藻凝块灰岩和砾屑灰岩、黄绿色页岩夹灰色中—薄层泥晶灰岩、泥质条带灰岩、云斑藻凝块灰岩、藻灰岩。崮山组岩性为黄绿色紫灰色页岩、灰色薄层泥质条带泥晶灰岩、瘤状灰岩、生物碎屑鲕粒灰岩及砾屑灰岩。炒米店组岩性为叠层石灰岩、砾屑灰岩、云斑藻屑灰岩。三山子组岩性为褐灰色中厚层砾屑白云岩、灰色厚层白云岩、深灰色薄层状白云岩夹黄灰色中厚层白云岩、叠层白云岩、浅灰黄色厚—中厚层含燧石结核、燧石条带白云岩。马家沟组岩性为薄板状泥云岩、绿灰色页岩、浅灰色薄层灰质白云岩、角砾状云泥岩、厚层纯灰岩、云斑灰岩、藻凝块灰岩、灰黄色厚层白云质灰岩、灰绿色云泥岩、深灰色厚层状灰岩、云斑灰岩、灰色厚层灰岩、云斑灰岩。
石炭—二叠纪地层只出露有本溪组和太原组岩石地层单位，主要分布在谷里、东都、放城和华丰等地。本溪组岩性为紫红色页岩夹淡黄色铝土岩。太原组由页岩、粉砂岩夹砂岩、多层灰岩和煤层（或煤线）组成的多个旋回层。
侏罗—白垩纪地层只出露有淄博群三台组和莱阳群杨家庄组岩石地层单位。淄博群三台组岩性有紫红色为主的沙砾岩。莱阳群杨家庄组岩性有粉砂岩、细砂岩及泥岩。
新生代地层发育有下第三系官庄群和第四系。下第三系官庄群地层自下而上有固城组、常路组、朱家沟组和大汶口组。固城组岩性为杂色石灰质砾岩夹部分棕红色砂岩、泥岩；常路组岩性为砾岩、砖红色泥岩、粉砂岩组成；朱家沟组岩性为一套灰色石灰质砾岩（角砾岩）；大汶口组岩性为红色泥岩、石膏岩等含矿段、灰色泥、页岩、泥灰岩。第四系划分为大站组、黑云湖组、临沂组、寒亭组、泰安组、山前组、沂河组。大站组岩性为粘土及粘土质砂夹沙砾层、含砾石砂粘土；黑云湖组岩性为灰黑色砂质粘土；临沂组岩性为土黄、灰黄色粘土质粉砂、粉砂质粘土；寒亭组岩性为中细砂层；泰安组岩性以砾石层夹层为主；山前组岩性为红棕、棕褐、褐灰、黄灰色；沂河组岩性为现代河流冲积的沙砾石和砂土。