蒙阴县的地层出露有太古界泰山群，约占全县面积的50％；元古界震旦系和古生界寒武系、奥陶系、石炭系，约占全县面积的30％，中生界侏罗系、白垩系，约占全县面积的7％；新生代第三系及第四系，约占全县面积的13％。
一、泰山群
全县有万山庄组、太平顶组、雁翎关组和山草峪组，层厚9000米，片麻理走向北西—南东，倾向绝大部分西南，局部北东，倾角41°～78°。
万山庄组，主要由黑云斜长片麻岩、夹角闪黑云斜长片麻岩、黑云母变粒岩、黑云角闪片岩、斜长角闪岩及各种混合岩组成，厚度约2100米，同位素年龄约24.45亿年，分布在常马乡、联城乡、桃墟乡、界牌乡和垛庄镇。
太平顶组，主要由黑云斜长片麻岩、夹角闪黑云斜长岩、二云斜长片麻岩、白云石英片岩、黑云石英片岩、黑云变粒岩和少量角闪石英片岩、斜长角闪岩及各种混合岩组成，厚度2057.1米，分布于常马乡、联城乡、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇、常路镇、蒙阴镇、巨山乡、旧寨乡、重山乡、野店乡、坡里镇、北贾庄乡。
雁翎关组，主要由角闪片岩、斜长角闪岩夹黑云变粒岩、滑石片岩、阳起石透闪石片岩及少量碳质千枚岩组成，厚约2000米，同位素年龄约早于23.67亿年。分布于常马乡、联城乡、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇、常路镇、蒙阴镇、巨山乡、旧寨乡、重山乡、野店乡、坡里镇、北贾庄乡。
山草峪组，主要由黑云变粒岩、二云片岩、白云变粒岩、角闪黑云片麻岩、底部有少量斜长角闪岩组成，个别地方还存有变质更浅的千枚岩和变质粉砂岩，厚度约3000米，同位素年龄约为23.42亿年，其分布地点同雁翎关组。
二、震旦系
县内只有元古代震旦亚界土门组，由顶部的黄绿及紫红色的钙质页岩、泥灰岩、硅质灰岩和底部的长石、石英砂岩所组成，地层厚约100～150米。分布在界牌乡以东和垛庄镇东南局部地区。
三、寒武系
县内分布广泛，全县各乡镇大部都有出露。此地层分上、中、下统，其岩性有紫红色页岩、暗紫色薄层泥、铁质粉砂岩及各种石灰岩组成，厚度882.2米，走向北西，倾向北东，倾角15°～25°，常形成单斜和崮顶。
四、奥陶系
县内有中统和下统。下统以竹叶状白云岩、条带状细晶白云岩、含燧石结核或条带的细晶白云岩、泥质白云岩、角砾状微晶白云岩、层纹灰岩、泥灰岩、含燧石结核或条带泥晶灰岩、云斑灰岩和纯灰岩组成；中统以纯页岩夹黄绿薄层泥灰岩组成。此系厚度997.3米，走向北西，倾向北东，倾角15°～25°。此地层化石丰富，有头足类、腹足类、层孔虫、月形刺等。主要分布在联城乡、常路镇、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇、巨山乡、旧寨乡和坦埠镇。
五、石炭系
县内只有中统本溪组，其岩性主要有粘土层、砂质页岩，夹灰岩2～3层，夹薄煤层1～2层，底部含有铝土矿和山西式铁矿。组厚40～80米，局部地方有工业薄煤层和化石—筵类、腕足类、珊瑚类、植物，分布在常路镇、高都乡、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇。
六、侏罗系
县内有汶南组和分水岭组。
汶南组，地层自下而上岩性由紫红色砂砾岩—紫红砂岩，黄绿色页岩互层—紫红色砂砾岩组成，组层厚度123米，在上部中发现叶肢介和孢粉化石。
分水岭组，地层岩性自下而上由底砾岩及薄层状砂岩、砂质页岩、砂岩互层及细砂岩组成，层厚740.7米，内含丰富的化石：介形虫、叶肢介、狼鳍鱼、爬行类、瓣鳃类、蒙阴管蚌、珠蚌和豆螺等。此地层在蒙阴盆地呈北西—南东向长条状，分布于常路镇、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇。
七、白垩系
县内只有下统青山组，按岩性分为五段，有砾岩—集块岩、凝灰岩、粉砂岩、火山角砾岩—集块岩、安山岩—玄武岩组成，厚1100米，同位素年龄12741～10721万年，在第二段中含有丰富的介形类、叶肢介、蒙阴女星介、腹足类、鱼类及植物茎干等化石。分布在盆地的常路镇、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇。
八、第三系
全县仅有老第三系官庄组，按岩性分为三段：下段由灰白、灰黄、紫灰、紫红等色泥岩，泥质粉砂岩，细砂岩与砾岩组成；中段由灰、紫红、灰绿、灰黄等泥岩，泥质粉砂岩及少量砾岩和细砂岩组成；上段基本上是一巨厚的灰红色中砾岩层。此组层厚1802米。内含化石丰富，有哺乳类动物—简单磨齿兽、中国原古马、钝七齿兽等，软体动物—蒙阴盘螺、双腹螺等，介形类—蒙阴球星介、园星介等，轮藻类有13属、25种，还有孢粉、核形石、层孔虫等。分布在蒙阴盆地的常路和蒙阴两镇。
九、第四系
本县第四系从下更新世到全新世均有分布。按成因，有冲积层、洪积层、坡积层、坡洪积层及残坡积层；按岩性，有红色亚粘土、砂层、粘土质砂层、红色含砾粘土质砂层砂砾层及砾石层。多在河流、阶地及高级夷平面上。层厚一般1～3米，最厚达15米。其化石，下更新世蒙阴重山附近有平额象，上更新世洪坡积层中有鸵鸟蛋。
第一节 地层
蒙阴县的地层出露有太古界泰山群，约占全县面积的50％；元古界震旦系和古生界寒武系、奥陶系、石炭系，约占全县面积的30％，中生界侏罗系、白垩系，约占全县面积的7％；新生代第三系及第四系，约占全县面积的13％。
一、泰山群
全县有万山庄组、太平顶组、雁翎关组和山草峪组，层厚9000米，片麻理走向北西—南东，倾向绝大部分西南，局部北东，倾角41°～78°。
万山庄组，主要由黑云斜长片麻岩、夹角闪黑云斜长片麻岩、黑云母变粒岩、黑云角闪片岩、斜长角闪岩及各种混合岩组成，厚度约2100米，同位素年龄约24.45亿年，分布在常马乡、联城乡、桃墟乡、界牌乡和垛庄镇。
太平顶组，主要由黑云斜长片麻岩、夹角闪黑云斜长岩、二云斜长片麻岩、白云石英片岩、黑云石英片岩、黑云变粒岩和少量角闪石英片岩、斜长角闪岩及各种混合岩组成，厚度2057.1米，分布于常马乡、联城乡、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇、常路镇、蒙阴镇、巨山乡、旧寨乡、重山乡、野店乡、坡里镇、北贾庄乡。
雁翎关组，主要由角闪片岩、斜长角闪岩夹黑云变粒岩、滑石片岩、阳起石透闪石片岩及少量碳质千枚岩组成，厚约2000米，同位素年龄约早于23.67亿年。分布于常马乡、联城乡、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇、常路镇、蒙阴镇、巨山乡、旧寨乡、重山乡、野店乡、坡里镇、北贾庄乡。
山草峪组，主要由黑云变粒岩、二云片岩、白云变粒岩、角闪黑云片麻岩、底部有少量斜长角闪岩组成，个别地方还存有变质更浅的千枚岩和变质粉砂岩，厚度约3000米，同位素年龄约为23.42亿年，其分布地点同雁翎关组。
二、震旦系
县内只有元古代震旦亚界土门组，由顶部的黄绿及紫红色的钙质页岩、泥灰岩、硅质灰岩和底部的长石、石英砂岩所组成，地层厚约100～150米。分布在界牌乡以东和垛庄镇东南局部地区。
三、寒武系
县内分布广泛，全县各乡镇大部都有出露。此地层分上、中、下统，其岩性有紫红色页岩、暗紫色薄层泥、铁质粉砂岩及各种石灰岩组成，厚度882.2米，走向北西，倾向北东，倾角15°～25°，常形成单斜和崮顶。
四、奥陶系
县内有中统和下统。下统以竹叶状白云岩、条带状细晶白云岩、含燧石结核或条带的细晶白云岩、泥质白云岩、角砾状微晶白云岩、层纹灰岩、泥灰岩、含燧石结核或条带泥晶灰岩、云斑灰岩和纯灰岩组成；中统以纯页岩夹黄绿薄层泥灰岩组成。此系厚度997.3米，走向北西，倾向北东，倾角15°～25°。此地层化石丰富，有头足类、腹足类、层孔虫、月形刺等。主要分布在联城乡、常路镇、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇、巨山乡、旧寨乡和坦埠镇。
五、石炭系
县内只有中统本溪组，其岩性主要有粘土层、砂质页岩，夹灰岩2～3层，夹薄煤层1～2层，底部含有铝土矿和山西式铁矿。组厚40～80米，局部地方有工业薄煤层和化石—筵类、腕足类、珊瑚类、植物，分布在常路镇、高都乡、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇。
六、侏罗系
县内有汶南组和分水岭组。
汶南组，地层自下而上岩性由紫红色砂砾岩—紫红砂岩，黄绿色页岩互层—紫红色砂砾岩组成，组层厚度123米，在上部中发现叶肢介和孢粉化石。
分水岭组，地层岩性自下而上由底砾岩及薄层状砂岩、砂质页岩、砂岩互层及细砂岩组成，层厚740.7米，内含丰富的化石：介形虫、叶肢介、狼鳍鱼、爬行类、瓣鳃类、蒙阴管蚌、珠蚌和豆螺等。此地层在蒙阴盆地呈北西—南东向长条状，分布于常路镇、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇。
七、白垩系
县内只有下统青山组，按岩性分为五段，有砾岩—集块岩、凝灰岩、粉砂岩、火山角砾岩—集块岩、安山岩—玄武岩组成，厚1100米，同位素年龄12741～10721万年，在第二段中含有丰富的介形类、叶肢介、蒙阴女星介、腹足类、鱼类及植物茎干等化石。分布在盆地的常路镇、蒙阴镇、桃墟乡、界牌乡、垛庄镇。
八、第三系
全县仅有老第三系官庄组，按岩性分为三段：下段由灰白、灰黄、紫灰、紫红等色泥岩，泥质粉砂岩，细砂岩与砾岩组成；中段由灰、紫红、灰绿、灰黄等泥岩，泥质粉砂岩及少量砾岩和细砂岩组成；上段基本上是一巨厚的灰红色中砾岩层。此组层厚1802米。内含化石丰富，有哺乳类动物—简单磨齿兽、中国原古马、钝七齿兽等，软体动物—蒙阴盘螺、双腹螺等，介形类—蒙阴球星介、园星介等，轮藻类有13属、25种，还有孢粉、核形石、层孔虫等。分布在蒙阴盆地的常路和蒙阴两镇。
九、第四系
本县第四系从下更新世到全新世均有分布。按成因，有冲积层、洪积层、坡积层、坡洪积层及残坡积层；按岩性，有红色亚粘土、砂层、粘土质砂层、红色含砾粘土质砂层砂砾层及砾石层。多在河流、阶地及高级夷平面上。层厚一般1～3米，最厚达15米。其化石，下更新世蒙阴重山附近有平额象，上更新世洪坡积层中有鸵鸟蛋。