西昌市地质构造与发育历史极为复杂、具有演化多样性、地层出露齐全性的特点，除奥陶系有所缺失外，从下元古界至新生界各系均有不同的岩层分布。岩浆活动主要是前震旦纪、早震旦世、二迭纪、晚三迭纪四个时期，由于安宁河断裂的多期岩浆活动，在以上四个时期分别导致酸性或基性岩浆的侵入与喷发。侵入岩出露在安宁河以西的磨盘山区，由流纹斑岩、似斑状黑云母花岗岩、凝灰熔岩、石英斑岩、拉斑玄武岩、正长岩、闪长岩、普通花岗岩和碱性花岩形成磨盘山杂岩等。喷出岩以晚二迭世峨眉山玄武岩出露最广，分布普遍，在安宁河以西牦牛山及磨盘山区均可见到。早震旦世的酸性熔岩，见于螺髻山，面积140平方公里。

西昌市安宁河及雅砻江两大水系所控制。安宁河自北向南贯穿全市，市境内其干支流控制集雨面积1852.3平方公里，占全市幅员面积的69.8%，是西昌市工农业生产和生活用水的主要水源。雅砻江水系其干支流控制集雨面积802.9平方公里，除牦牛山西麓几条支流外，其干流为过境。市东南有四川第二大淡水湖——邛海，它是市区工农业及城镇生活用水水源。