泰山区地层在地层区划上属于华北地层区鲁西分区泰安小区，出露地层有太古界泰山岩群，下古生界寒武系、奥陶系，新生界下第三系、第四系。
太古界泰山岩群
泰山区内仅残留少量泰山岩群雁翎关组地层，岩性为斜长角闪岩夹黑云角闪变粒岩，底部为阳起片岩。主要分布在徐家楼乡西南与岱岳区交界处。
下古生界
寒武系 零星出露于西部蒿里山，南部桂林官庄、居岭庄等处，大部分被第四系覆盖。泰山区内仅出露有4个组。
馒头组：主要为紫灰色粉砂质页岩、泥质灰岩夹砂岩、鲕粒灰岩。
张夏组：下部为灰色厚层鲕粒灰岩，上部为灰色厚层藻泥块灰岩。
崮山组：为中薄层砾屑灰岩，条带状泥灰岩页岩。
炒米店组：为砾屑灰岩、叠层石灰岩、云斑灰岩，虫迹发育。
奥陶系 仅在南部的居岭庄、埠阳庄等地零星地露，有马家沟组东黄山段和北庵庄段，大部分被第四系和下第三系掩盖。
马家沟组东黄山段为薄板状泥灰质白云岩、角砾状白云岩。
马家沟组北庵庄段为厚层灰岩、云斑灰岩、白云质灰岩。
新 生 界
第三系 分布于东南部埠阳庄一带且被第四系覆盖，仅在埠阳庄东有一露头。其岩性为杂色石灰质砾岩，夹砂岩，泥岩。
第四系 广泛分布于泰莱断陷盆地和山坡、山麓、沟谷地带，沉积厚度小于30米。根据成因类型划分为大站组、临沂组、沂河组。
大站组 分布于财源办事处未被建筑物覆盖处，岩性为亚粘土、亚砂土夹砂砾层。
临沂组 广泛分布于盆地平原地带，岩性为灰黄色砂质粘土、粘土质粉砂。
沂河组 分布于泮河、汶河及其支流河床附近，岩性为河床冲积砂砾石。
岩 浆 岩
泰前办事处与大津口乡侵入岩和混合岩广泛分布。其时代分别有新太古代阜平期、五台期，古元古代吕梁期，中元古代四堡期。