兖州市境大地构造属鲁西断块隆起(Ⅲ级)兖州断凸(Ⅳ级)单元，其边界东部为峄山断裂，西部为孙氏店断裂，北部为汶泗断裂，南部为凫山断裂。兖州是其中一部分。基底为泰山群变质岩系。基底之上发育古生代、中生代及新生代地层。其中晚古生代地层中赋存丰富的工业煤层，是国家煤炭资源的重要基地。
中、新生代以来鲁西地块差异性升降运动强烈，产生了大规模凸起和断陷盆地，兖州断凸即为这一时期的产物。新生代第三纪断裂活动尤为剧烈，形成东部泰山、鲁山、沂山等山脉，西部平原的山川地貌。
褶皱构造表现基底与盖层有较大的差异性。基底褶皱为规模较大的复式褶皱，以紧密线型褶皱为主；盖层褶皱相对不发育，多为简单的单斜产状，大多向北倾，倾角较小。形成较大的褶皱为兖州向斜，轴向北东东，东半部为峄山断裂切割。
境内断裂构造发育，主要有北北西(NNW)和东西(EW)向两组断裂，断裂分述如下:
北北西向断裂
孙氏店断裂 位于境内西部边缘,走向北北西(NNW),倾向南西西(SWW)，倾角70～80°，西盘下降，为正断层，垂直断距约100～500米左右，具波状延伸，使下二迭系、上侏罗系地层与奥陶系灰岩呈断层接触。
嵫山断裂 位于境内中东部，走向北北西(NNW)，倾向北东(NE)，倾角80°左右，垂直断距200～500米，为东盘下降，西盘上升的高角度正断层。具张扭性，呈弧形展布。
东西向断裂
郓城断裂 位于境内的北部，走向近东西(EW)，倾向北(N)，倾角75°，断距80米，北盘下降，为正断层。