闽西区在大地构造上，属闽西北加里东隆起带和闽西南海西印支拗陷带，前者是晚加里东褶皱之后的长期隆起地区，后者是晚加里东褶皱之后形成的拗陷带，沉积了较厚的上古生代—三叠纪的地台型沉积盖层。岩浆岩比较发育，活动期次繁多，岩类复杂多样，受侵蚀后表现为不同的地貌形态。本区新构造运动较强烈，以断块上升活动为主，但存在着南北间的差异。在江西的石城至福建的建宁、闽清一线以北，以大面积断块整体活动为主；以南则断块差异活动明显。在本区的中部，由于北东向断裂控制，发育着两列由上白垩系—下第三纪红色砂页岩和砾岩层组成的红色断陷盆地，一列为武夷山—泰宁—连城—武平，另一列为松溪—沙县—永安—龙岩；由于组成红色盆地中的岩性不同，岩层倾角大小不一，在外力作用下，红色砾岩、砂砾岩常发育成千姿百态的丹霞地貌。
本区自西北向东南，海拔逐渐下降。武夷山脉纵贯西部，是闽赣两省的天然界线，长约500余千米，海拔1000～1500米以上，切割深度800～1000米，两坡呈不对称状，西坡较陡，东坡较缓。主峰黄岗山海拔2158米。整个山体的纵剖面似“凹”字型，南北高，中部低，但总体来看，北部又高于南部。在武夷山脉中，发育有许多与山脊线成直交或斜交的垭口，它们有的是由断层陷落而成，有的则是古老的河谷，这些垭口古称“关”、“隘”、“口”，是闽赣间和闽浙间的交通要道和军事要冲，也是冬半年冷气流入侵本省的通道。
本区水系发育，河网密布，流入闽江的主要河流有建溪、富屯溪和沙溪；流入九龙江的有雁石溪、万安溪；流入汀江的有旧县溪、永定河等。在浦城、光泽二县局部地区的溪流分别注入浙江的新安江和江西的信江。这些河流共同的特征是：河谷宽窄相间，水量丰富，比降大，嵌入河曲发育，多岩滩和裂点，蕴藏着丰富的水力资源。河谷地貌受地质构造和岩性控制，大多数河流与构造线斜交或直交，峡谷、宽谷相间分布，呈藕节状。在宽谷和盆谷内，沿河发育有高度不等的三级阶地，显示了本区新构造间歇性上升活动具有区域的相对一致性和区内次一级差异性的特点。