在早古生代境域处于缓慢下降状态，有大规模的海侵，沉积了巨厚的浅海砂页岩、碳酸盐岩类岩层。晚古生代从石炭纪的海陆交互沉积过渡到二迭纪以陆相为主的沉积，主要岩性为砂页岩和煤。中生界晚侏罗系地层，在境内零星分布。新生界地层分布广泛。地层岩性、分布特征依地层年代由老至新分述如下:
古生界
奥陶系中统(O2) 主要分布在大安以南，颜店以东至兖州--王因公路以西范围内。除嵫山残丘裸露外，均隐伏于松散岩类地层之下。岩性主要为浅灰色、灰色厚层状灰岩、结晶灰岩、豹皮状灰岩。南部埋藏较浅，北部较深，一般为115～237米。揭露厚度435.43米。该层总厚度为621.09～870.71米。
石炭系上统(C3) 主要分布在铁路以西至兖州城区及兖州--王因公路以东地带。顶板埋藏135.80～198.90米，厚为16.78～159.10米不等，假整合于中奥陶系灰岩之上。岩性为灰白色粉砂岩、粘土岩、页岩和薄层灰岩，夹数层煤。
二迭系下统(P1) 主要分布在小孟--马楼--东顿村一带。顶板埋藏深168.40～210.00米，厚度为11.20～188.15米，假整合于上石炭系地层之上。岩性由灰白色、深灰色砂岩和杂色泥岩及褐色页岩组成，富含植物化石。
中生界
侏罗系(J3) 分布在苗堂--新驿--丁郗村一带，呈近南北向狭长条形展布，不整合于二迭系地层之上，顶板埋深为160～210米，岩性由褐色砂岩、砾岩及杂色泥岩、砂砾岩组成，具有明显交错层理，揭露厚度为792.30米。
新生界
第三系(R) 老第三系(E) 分布在北部和东北部，隐伏于松散岩类之下。仅见始新统官庄组地层，岩性多由棕红色灰白色砂岩、泥岩组成，厚42.00～668.79米。顶板埋深11.10～230.00米，与侏罗系地层呈假整合接触。
新第三系(N) 由灰绿色、锈黄色、灰白色粘砂岩、粘土、亚粘土互层组成，局部夹1～2层中粗砂，粘土多具挤压面，含少量钙质结核。顶板埋深86.00～113.55米。厚为64.00～106.50米。
第四系(Q) 第四系广泛分布于全境，境内厚度由北向南、由东向西增厚。一般86～133米。东北部受构造影响，厚度较薄，小于60米。
第四系松散岩类地层由汶泗冲洪积物组成。西部为汶河冲洪积扇，东部为泗河冲洪积扇，两个冲洪积扇的迭交带位于前邴--大安--天齐庙一带。
全新统(Q4) 岩性为浅黄色、灰黄色亚砂土、亚粘土组成，总厚度一般2～12.7米。底部普遍分布一层黑灰色淤泥质粘土、亚粘土，厚3～5米，多含贝壳。
上更新统(Q3) 岩性为锈黄色、褐黄色亚砂土、亚粘土，夹2～4层中细砂、中粗砂、细砂，底部富含钙质结核和钙质团块。总厚度6～22.27米，底板埋深为12.5～29.37米。
中更新统(Q2) 岩性由棕黄、灰绿、黄褐色亚砂土、粘土、亚粘土和数层中粗砂、中细砂、细砂组成。底部多富集豆状铁锰质浸染斑块，厚21.5～56.4米，底板埋深一般为52.5～71.6米。
下更新统(Q1) 岩性为灰绿、锈黄、棕红和杂色的亚粘土、粘土、混粒土、半固结松砂岩、含砾中粗砂、中细砂、粗砂组成，含少量钙质结核及铁锰质斑块。底板埋深86～113.55米。
新构造运动 新生代以来，境内新构造运动表现形式多样，主要是升降运动、地震等。
山东省1957年以来，进行的长水准流动重复测量表明:嘉祥至峄山断裂之间较东部山区为相对下降区，境内属沉积较厚的新生界地层。公元462年8月16日，兖州城区北部发生的5.5级地震；公元1668年7月25日，郯城大地震波及县境，致使兴隆塔上半截倒塌，上述说明新构造运动表现是较为活跃的。
近年由于开挖煤炭，小南湖等地带造成地面塌陷等人为的地质灾害，应采取措施进行预防和综合治理。