一、地层
县境地处中朝准地台，鲁西断块隆起区中部，由汶泗断陷盆地、汶东断陷盆地及皋山玉皇顶复背斜等几个构造单元组成。属华北地台地层区鲁西地层分区泰安地层小区。地层排列由老到新为：太古界泰山岩群，古生界寒武系—奥陶系、石炭系—二叠系，新生界第三系、第四系地层。
太古界 太古界泰山岩群境内仅残留少量泰山岩群雁翎关组地层，岩性多斜长角闪岩及云英片岩和透闪片岩等零星分布，主要在黑山头一带及西北部覆盖层之下有发育，分布范围都很小，或呈条带状或呈透镜体状。
古生界 寒武系—奥陶系，主要有长清群、九龙群、马家沟组三部分发育。其中长清群主要发育在宁阳东部磨坊葛家庄一带，西部仅在穗山和龟山一带有发育，岩性主要以深灰色泥晶灰岩为主；九龙群在全县境内分布较广，东部山区和西部山区均有大面积发育；马家沟组仅在东部山区有少量发育。石炭系—二叠系，主要有本溪组、太原组、山西组、石盒子组四大部分组成。其中，本溪组主要分布于东部西磁窑至北故城一带，由一套杂色泥岩及灰岩组成，底部发育G层铝土矿和山西式铁矿；太原组、山西组是主要含煤层之一，主要分布于县城附近，及东部华丰矿区一带；石盒子组在宁阳煤田有发育，中下部发育有A层铝土矿。
新生界 第三系主要由朱家沟组、大汶口组两部分组成。其中朱家沟组主要在东部华丰和东庄一带大面积分布，西部三埠村一带也有小面积分布；大汶口组主要在东部华丰马家寨一带有分布，西部县城以南也有发育。第四系主要有山前组、临沂组、沂河组三部分组成。其中山前组主要分布于低洼处和山前坡地一带，以灰黄色含砾砂质粘土为主；临沂组主要分布于冲积平原区，以黄土、含粉砂黄土为主；沂河组主要分布于古河道及现代河流、河漫滩等地，以黄色砂质含砾砂层为主。
二、地质构造
构造单元 县境横跨汶泗断陷盆地，告山玉皇顶复背斜、汶东断陷盆地等三个四级构造单元，各构造单元排列和展布方向为近东西向偏北西，盆地以发育脆性断裂为主，基本有三组，即东西向、北西向和北东向，而复背斜区则以发育各种面状、线状等透入性构造为主，以及一些韧性变形构造等。
基底构造 集中出露于县境中部和东南部前寒武侵入岩区，穗山一带也有少量的出露，主要为韧性挤压剪切作用形成的片麻理、条带状构造和韧性剪切变形等。
断层构造 汶泗断层是境内典型的东西向断层之一，也是境内主要的断裂构造，控制着汶泗断陷盆地的发育和展布，使宁阳西部地区赋存了丰富的煤炭资源，由其派生出来的其他东西向断层地较多，并分布在煤田内，对地层和煤层起主要控制作用。境内北西向断裂较多，比较大的有滋阳断层、峄山断层和南落星断层，峄山断层为宁阳含煤区的东部边界断层。境内北东向断裂发育较少，比较典型的有南故城断层。该断层南起高庄以南，北入岱岳区，在境内延长约8公里以上。