莱山区地处胶北隆起区东部，地质构造复杂。出露地层主要为元古代古老变质岩系。在断陷盆地中分布有少量中生代地层。岩浆活动强烈，以元古代和中生代酸性花岗岩为主，分布广泛。
地层 莱山区地层属华北地层区鲁东地层分区胶北地层小区。岩石地层单位有古元古代荆山群、古元古代粉子山群、中生代白垩纪莱阳群、中生代白垩纪青山群和新生代第四系。
古元古代荆山群 集中分布于祥山、冶头、解甲庄、马山寨等地。此地是该群层型剖面所在地。该群地层划分为三个组。
下部禄格庄组一段为安吉村片岩段，岩性为石榴黑云片岩夹薄层斜长透辉岩，出露厚度606米。该组二段为光山大理岩段，岩性为白云质大理岩、蛇纹大理岩夹薄层角闪变粒岩，局部有透辉大理岩和方解石大理岩，出露厚度367米。
中部野头组一段为祥山变粒岩段，岩性为黑云变粒岩、透辉变粒岩夹透镜状大理岩，出露厚度509米。该组二段为定国寺大理岩段，主要岩性为方解大理岩、透辉大理岩、蛇纹大理岩夹薄层斜长透辉岩，出露厚度86米。
上部陡崖组一段为徐村石墨岩系段，岩性为含石墨黑云变粒岩、石墨透辉岩、石榴二云片岩、透辉石英岩，出露厚度688米。该段部分地段石墨富集成工业矿体，在新添堡一带构成小型矿床。该组二段为水桃林片岩段，岩性为石榴黑云片岩夹薄层斜长透辉岩，兰晶矽线石榴黑云片岩、长石石英岩，出露厚度533米。
荆山群变质岩中见矽线石、兰晶石、透辉石、石榴石等特征变质矿物，变质地温梯度27.06摄氏度/千米，该套地层经历了中压相系高角闪岩相区域变质。
古元古代粉子山群 集中分布于马家都、福临夼一带。该群在境内出露两个组。下部为巨屯组。在马家都、界牌一带出露该组上段，岩性为含石墨大理岩夹薄层含石墨黑云变粒岩，局部夹石墨透闪岩。该段出露厚度625米。上部为岗嵛组。该组一段岩性为黑云片岩夹黑云石英片岩、黑云变粒岩，出露厚度202米。该组二段岩性为疙瘩状二云石英片岩夹薄层黑云变粒岩，出露厚度316米。
该群变质岩石中可见石榴石、矽线石等特征变质矿物，经历了中压相系低角闪岩相区域变质。
中生代白垩纪莱阳群 分布于孔辛头中生代盆地中，与下伏荆山群为角度不整合或断层接触。盆地内出露该群林寺山组，岩性为杂色砾岩、砂砾岩，上部夹薄层砂岩，出露厚度214米。
中生代白垩纪青山群 由于第四系覆盖，仅在莱山西、黄家疃村西北出露，为该群八亩地组，岩性为角闪安山岩、安山质角砾岩屑凝灰岩，岩石强烈蚀变，形成粘土矿，出露厚度25米。
新生代第四系 分布于山间冲积平原、山前冲积平原和沿海堆积平原区。山前组分布于山前倾斜平原及低缓丘陵区。岩性为含砾粘土夹砾石层，成因为残坡积，形成时代为更新世——全新世。临沂组分布于河流两侧一级阶地，岩性为粘土质粉砂、粉砂质粘土夹薄层砂砾石。成因为冲积，形成时代为全新世。沂河组分布于河床及河漫滩，岩性为砂、砾，成因为冲积，形成时代为全新世。旭口组分布于沿海堆积平原，岩性为混粒砂，局部夹淤泥。成因为海积，形成时代为全新世。
构造 按槽台构造说，莱山区位于华北地台（Ⅰ）鲁东隆起（Ⅱ）胶北隆起区（Ⅲ）。按板块构造说，位于华北板块的东南缘。褶皱及断裂均较发育。
∞皱 褶皱构造形成于元古代，按形成的相对早晚可划分为四期。
第一期褶皱为层内流褶。 分布于荆山群、粉子山群中，该期褶皱形成于吕梁运动早、中阶段。在区域南北应力场制约下产生的中部构造相分层剪切性质的横向构造置换，形成新的片理、片麻理，并伴有一系列紧闭、平卧、倒转及不对称的小∞皱。其形态以无根钩状、紧闭顶厚等层内褶皱为特征。片理穿顶，两翼平行，受后期褶皱迭加置换，轴面产状多变。
第二期褶皱为近东西向褶皱。 在荆山群和粉子山群中形成一系列走向近东西的背、向斜构造。远陵夼倒转向斜，位于远陵夼——埠岚一带，轴向近东西，出露长度大于4000米。轴部地层为岗嵛组二段，两翼地层为岗嵛组一段，均向南倾斜，倾角50°～60°，构成北翼正常、南翼倒转、轴面南倾的倒转向斜。由于后期伟晶花岗岩的侵入破坏和第四系覆盖，使其形态不完整。松岚村倒转背斜位于松岚、大郝家、沟北一带，轴向近东西，向西倾伏，出露长度约2000米。轴部及翼部地层均为巨屯组，两翼地层均向南倾斜，倾角30°～40°，构成北翼倒转，南翼正常，轴面南倾的倒转背斜。解家向斜位于解家、界牌一带，出露长度约3000米，轴向近东西，轴部及翼部均由巨屯组组成，向斜北翼即为松岚倒转向斜的南翼，地层向南倾斜，向斜的两翼向北倾斜，倾角50°～60°，构成两翼正常、轴向近于直立的向斜构造。姜家庄（新姜庄）背斜位于姜家庄、周家沟一带，轴向近东西，因后期北东向褶皱迭加而使其褶皱轴在平面上呈“S”型。背斜轴部及两翼均由禄格庄组安吉村片岩段组成，岩层倾角30°～50°。该期褶皱广泛分布于荆山群和粉子山群地层中，是在中部构造相（角闪岩相）条件下，受南北向挤压应力作用形成，其动力学机制为华北与杨子板块相向运动挤压，引起地壳收缩加厚有关。
第三期褶皱为北东向褶皱。 在荆山群和粉子山群中形成一系列走向北东的背、向斜构造。马家都背斜位于马家都，轴向北东，轴面近于直立，出露长度近4000米，两端被第四系覆盖。由于伟晶花岗岩的侵入，使其形态很不完整，轴部及两翼地层均为巨屯组。岩层分别倾向北西和南东，倾角60°～70°。姜家庄西向斜位于姜家庄村西，向斜轴向北东，出露长度约2000米，向斜轴部及翼部均由禄格庄组组成，两翼地层分别为北西和南东，相向倾斜，倾角30°～40°。周家沟背斜位于姜家庄以东周家沟一带，轴向北东，出露长度约3000米。两翼地层均为禄格庄组，分别倾向北西和南东，倾角30°～40°。刺猬顶向斜位于解甲庄镇东南大香山一带，轴向北东，轴面直立，出露长度约3000米。核部及两翼均由水桃林片岩段组成，分别倾向北西和南东，倾角20°～40°，为一较宽缓的向斜构造。该期褶皱为中浅部构造相（低角闪岩相）条件下形成的，迭加在第二期褶皱之上。其动力学机制为杨子板块与华北板块陆——陆碰撞挤压，引起华北板块边缘由南东向北西逆冲推覆而产生的应力场有关。
第四期褶皱为北西向褶皱。 该期褶皱较少，仅见南曲村向斜，位于祥山金村——南曲村一带。背斜轴向305°，出露长度约1000米。轴部地层为定国寺大理岩段，两翼为祥山变粒岩段，两翼地层相向倾斜，倾角20°～40°，为一较宽缓的短轴向斜。该期褶皱是在浅部构造相（绿片岩相）条件下，受南西——北东向应力作用形成的。其动力学机制为华北板块碰撞加厚之后，应力调整伸展运动有关。
韧性剪切带 仅见安吉村韧性剪切带，位于马村、安吉、何家屯一带，总体呈北东向展布（30°～40°），出露长度约10千米，宽几米至几十米。糜棱面理产状倾向120°～130°，倾角 23°～60°，分布在新太古代回龙夼单元与上覆荆山群的接触带上。带内片岩、英云闪长岩强烈糜棱岩化、片理化，部分形成具白云石英片岩外貌的薄片状糜棱岩。黑云片岩中可见迭瓦状“b”型小∞皱，轴面产状倾向330°，倾角70°，垂直于拉伸线理。该韧性剪切带南东盘向北西方向推覆，其动力学机制为南东——北西向挤压应力场有关。
断裂 断裂构造发育按照其展布方向可分为东西向、北西向、北北东向和北西向断裂。
东西向断裂。出露较少，仅见莱山南村—沟头店断裂。由于受后期北东向断裂切割，使断裂不连续。断裂走向85°，两段由两条平行断裂组成断裂带。断裂为左行压扭性，晚期显张性，在断裂西段可见较宽的断层角砾岩。
北东向断裂。该组断裂规模最大的为桃村断裂和郭城断裂，是著名的桃村断裂带的组成部分，境内出露该断裂的北段。桃村断裂位于两甲埠——曹家一线，地表被第四系覆盖。郭城断裂见于杨家庄（友谊）、明泉、塂后等地。断裂北西盘为青山群八亩地组，沿断裂带可见较宽的断层角砾岩带。该方向组规模较小的断裂尚有何家庄——盛水庄断裂、塂西——杨家庄断裂、丁家夼西断裂、周家沟断裂、小山后断裂、垛山断裂、南水桃林断裂、光山断裂等。以上断裂多为左行压扭性断裂。
北北东向断裂。该组断裂出露较少，规模相对较大的有三十里堡断裂和冶头断裂。断裂走向5°～15°,断裂面倾向南东，倾角一般60°～70°。该组断裂切割东西向及北东向断裂，沿断裂带可见硅化、高岭土化及黄铁矿化等蚀变。
北西向断裂。该组断裂有孔家滩——刘家埠断裂、何家屯——丁家夼断裂、山南周断裂。断裂走向290°～310°，断裂面一般倾向北东，倾角60°～80°。沿断裂带可见断层泥及挤压透镜体，断裂多为左行压扭性。该组断裂多切割东西向、北东向及北北东向断裂，表明该组断裂形成时代相对较晚。
侵入岩 按山东省侵入岩区划的划分，莱山区位于中部大区华北区胶北分区栖霞小区，以发育太古代、元古代侵入岩为特征。按山东省侵入岩谱系划分序列，出露4个超单元、8个单元。
太古代侵入岩 栖霞超单元回龙夼单元，分布在莱山、贾家疃一带。岩性为条带状细粒角闪黑云英云闪长岩。岩石以发育条带状构造。
中元古代侵入岩 海阳所超单元烟墩山单元，见于祥山铁矿坑内，岩性为中粒辉石角闪石岩，岩体中赋存岩浆型铁矿（祥山铁矿）。海阳所超单元老黄山单元，分布于解甲庄镇驻地西北，岩性为斜长角闪岩（变辉长岩），岩石具发育的片理构造，并含石榴子岩。以上两个单元均侵入荆山群。
新元古代侵入岩 玲珑超单元九曲单元，分布于祥山以北、梁家夼以南地带，岩性为弱片麻状中粒含石榴二长花岗岩。岩体中可见荆山群地层包体。玲珑超单元笔架山单元，主要见于马家都、福临夼等地粉子山群地层分布区，岩性为不等粒伟晶花岗岩，岩石中可见黑色电气石。
中生代燕山晚期侵入岩 伟德山超单元分布于朱塂堡、孔辛头一带，由岩体边部向里可划分为三个单元。崖西单元分布于岩体的边部，岩性为密斑状粗中粒含角闪二长花岗岩。该单元中可见较多的细粒闪长岩包体。后野单元岩性为巨斑中粒含黑云二长花岗岩。该单元以含钾长石巨斑为特征。西上寨单元分布于岩体的中心部位，岩性为含巨斑中粒黑云二长花岗岩。三个单元之间为涌动侵入接触关系。该超单元与荆山群地层接触带，可见接触交代蚀变岩。