东平县地质较为古老。地层发育太古宙变质岩系，古生代海相、海陆交互相地层，新生代的松散堆积物。侵入岩不发育。构造分为基底构造和盖层构造。
本区属鲁西地层分区泰安地层小区，发育地层有泰山岩群雁翎关组、山草峪组，长清群、九龙群马家沟组，月门沟群，第四系等。由老到新进行划分。
一、太古界泰山岩群
泰山岩群仅出露于水河镇刘洼村以北，隐伏分布于大牛村彭集冯家村一带，层序不全，仅见雁翎关组、山草峪组，自下而上为：
雁翎关组 岩性主要为斜长角闪岩、角闪岩、夹角闪黑云变粒岩。分布在袁楼冯家庄地段，厚度变化不大，一般425米至1000米之间 。该组角闪岩、斜长角闪岩为基性火山岩建造，经受区域变质作用，属低级铁铝榴石角闪岩相。
山草峪组 岩性以黑云变粒岩为主，次为黑云斜长片麻岩、片岩类及斜长角闪岩夹条带状、条纹状磁铁石英岩。片理、片麻理发育，其走向为北北西，倾向南西，倾角70°至80°; 变质原岩为酸性沉积火山碎屑岩中基性火山岩建造，属低级铁铝榴石角闪岩相。
本组磁铁石英岩局部构成铁矿层，为鞍山式铁矿。铁矿层及其围岩含金普遍偏高，一般0.03至0.1×10-6，是鲁西地区金成矿的矿源层。
二、古生代地层
据地表基岩分布情况，结合戴庙井田钻孔资料，境内自下而上发育有长清群、九龙群、马家沟组、月门沟群、石盒子组。
长清群 朱砂洞组 仅见丁家庄段发育。主要岩性为灰色中厚层含燧石细晶白云岩、灰质白云岩、角砾状白云岩、夹中薄层泥云岩、云泥岩等，底部发育底砾岩，属潮上潮间带沉积物，与下伏前寒武系呈角度不整合接触关系。
馒头组 出露面积较广，一般分布于低山南坡，主要出露地点有腊山、水牛山、白佛山、接山、望山等地。主要岩性有泥云岩、紫红色砂质页岩、砂岩夹鲕状灰岩、泥质灰岩等。与下伏地层为整合接触。
九龙群 张夏组 出露于境内北部山区，多构成低山及丘陵地貌。岩性为灰色厚层鲕状灰岩、藻凝块灰岩、核形石灰岩夹沙屑灰岩。该组厚216米，产三叶虫化石，与下伏地层为整合接触关系。
崮山组 分布于斑鸠店、旧县、上套周围的低山山顶，范围较小，一般倾向355°至30°，倾角5°至11°。主要岩石类型为淡绿色页岩、薄板状疙瘩状泥晶灰岩，灰色厚层纹泥灰岩、砾屑灰岩等，厚52m，与下伏地层为整合接触关系。
炒米店组 该组与崮山组相伴产出，但分布范围更加缩小，岩层倾向330°至335°，倾角4°至10°。岩性主要为灰色薄层薄板状泥晶灰岩、竹叶状灰岩、藻凝块灰岩、灰色厚层含铁锰鲕粒灰岩、淡绿色页岩，厚90.1米。
三山子组 分布于旧县东庞口村东、大羊村东、张河桥乡尹山庄周围，岩层产状多倾向北，倾角110°。主要岩性为含燧石结核细晶、微晶白云岩、砾屑白云岩等。岩石具泥晶微晶细晶结构，块状构造。
马家沟组 隐伏分布于商老庄周围。底部为中薄层灰岩夹泥灰岩。中部为厚层白云质灰岩、豹皮灰岩为主，上部为中厚层豹皮灰岩与微晶灰岩互层，夹白云质灰岩，厚400米至600米。
月门沟群 平行不整合与奥陶系之上的上古生界海陆交互相陆相的含煤岩系，由本溪组、太原组、山西组组成，形成时间为石炭纪早二迭世。隐伏分布于师集秦楼一带。
本溪组 为海陆交互相沉积，主要由砂岩和灰岩组成，夹13层薄煤，底部为G层铝土质泥岩及铁质泥岩，厚18米至30米。含多种动植物化石。假整合于奥陶系之上。
太原组 为一套海陆交互相沉积，主要由砂岩、泥岩、灰岩夹煤层组成，灰岩有8层，煤17层，沉积韵律清晰，厚130米至180米。灰岩中多种动植物化石。
山西组 为陆相含煤沉积，由黄色、灰色、灰白色交错层长石砂岩及灰色、灰黑色泥岩互层组成，含煤数层，厚42米至80米，产有植物化石。
石盒子组 整合于月门沟群之上 ，隐伏分布于小徐村戴庙王常庄周围，自下而上为黑山段（P1h）、万山段（P1w）、奎山段（P1k）、孝妇河段（P1x）。该组厚245至530米。
黑山段：下部以灰绿色砂岩和泥岩为主夹沙砾岩，上部以紫红色泥岩、泥质粉砂岩夹灰绿色、浅灰色薄层砂岩。
万山段：灰绿色、灰白色交错长石石英砂岩与紫红色、杂色砂质泥岩互层，顶底部各有一层铝土质泥岩。
奎山段：灰白色致密块状、厚层状坚硬石英砂岩夹紫红色泥岩。
孝妇河段：暗紫色泥岩与黄褐色、灰白色交错层粗粒石英砂岩互层。
地质岩石谱系表
年代单位
岩石谱系单位
宙
代
期
超单元
亚超单元
单元
岩性
分布
显生宙
中生代
燕山期
沂南
铜井
铜汉庄
细粒角闪闪长玢岩
水河
元古宙
元古代
吕梁期
傲徕山
条花峪
中粗粒二长花岗岩
焦铺
太古宙
新太古代
五台期
峄山
昙山
东桃园
含黑云奥长花岗岩
接山南山庄
三、新生代地层
发育第四系，广布全区，南部厚度大且隐伏有古河道。区内第四系划分出五个组，即大站组、山前组、黑土湖组、临沂组、沂河组。
大站组 境内北部低山缓坡地带分布，产状近水平或微倾向于山间洼地。岩性以褐黄色砂质粘土为主，夹沙砾层、粉砂层等，含少量钙质结核、铁锰结核等，岩层具一定层理性，属洪冲积成因，厚3米至6米。
山前组 分布于山前坡麓地带和山间谷地及低缓丘陵顶部的残坡积物，多呈带状或不规则状产出。
主要岩性为红褐色砂质粘土、粘土质粉砂、沙砾层等，厚约3米。
黑土湖组 地貌上为剥蚀堆积平原的古洼地、坳谷及水系两侧洼地，一般厚0.4米至1.2米，局部可达3米。
主要岩性灰、灰褐、灰黑色沼泽化粉质粘土、粘土质粉砂; 局部夹灰白、黄色粉细砂层。含铁锰结核及少量钙质结核; 钙质结核进行了C14同位素测年，中心点年龄值25600±250，边部（直径12厘米），年龄值22300±280。
临沂组 分布于南部大面积冲积平原区，大清河高河漫滩也有分布。岩性以褐黄色、土黄色含粘土粉砂层、细砂层、中粗砂层为主，局部夹砾石层，厚510米。
沂河组 现代河床堆积物，岩性为黄色砂层，含砾砂层。发育水平层理、斜层理、交错层理，厚度小于10米。