地层系统
商州境内地层除奥陶、志留系外，从元古界至第四系均有出露。
元古界 分布于商州腹部地区及北部边缘地带。以中酸—中基性火山岩为主，间夹硅质硫酸岩、变质石英砂炭、片岩、砾岩等，为商州有色金属矿藏的主要赋存层位。
古生界 主要分布在南部地槽区及北部台缘区的石门凹陷。其地层自老而新依次为：寒武系分布于北端，为一套厚度很大的沉积碳酸盐建造，是大理石矿的主要赋存地层；泥盆、石炭系分布于境内南部。泥盆系以泥沙质碎屑沉积为主，夹有碳酸岩盐的次复理式建造。石炭系仅见下统，主要为砂岩、页岩、结晶灰岩，层部夹劣质煤层；二迭系见于熊耳山、大荆、韩峪川及北部丘陵地带，都是零散露头，为砂岩、页岩、泥炭岩的组成，局部夹有煤层和赤铁矿。
中生界 三迭系分布在看山寺—大河面一带断陷带内，岩性为砂岩、页岩、炭质板岩及中酸性凝灰岩，局部夹有劣质煤线；侏罗—白垩系，分布于金陵寺至大赵峪一带，以砂砾岩为主夹灰岩、炭质页岩及煤线。
新生界 第三系为红色砂砾岩，主要分布于大荆、李庙、腰市、郭村以及城区沿丹江两岸至夜村一带。第四系为亚粘土、砂砾层所组成。
区域地质构造
商州地跨两个在地质构造单元。由铁炉子向东至马角一线，北部属华北准地台西南缘的商渭台缘褶皱带，南部属秦祁地槽东秦岭褶皱系的加里东和华里西褶皱带。
加里东褶皱皱带
位于铁炉子—马角一线以南，杨斜—商南复活断裂以北，主要为蓟县系的宽坪组和青白系的陶湾组地层分布区，区域变质程度很深，褶皱、断裂构造复杂，构造线呈北西西—南东东方向展布。
褶皱 这一区域为一复式背斜，由3个次级构造组成，即蟠龙山背斜、板桥向斜和蟠河背斜。由于断裂构造的破坏，不仅使褶皱构造失去完整性，而且导至复背斜南北两翼形成商州、洛南凹陷盆地。
断裂 境内主要断裂有4条。蓝桥—三要复活断裂，属正断层，倾角58—80度，破碎带宽30—200米，切穿了震旦—第三系地层，西段有铁炉子热液多金属矿床形成；金陵寺—三条岭复活断裂，属向北倾斜的逆断层，倾角20—80度，切穿了震旦—白垩系地层，控制了商州切穿了震旦—商濯中生代断陷盆地的形成；商州—高耀复活断裂，为一正断层，倾向北，倾角80度，破碎带宽50—100米，错断了震旦系—第三系地层，控制了商州—商耀中生代断凹盆地的形成；金陵寺—大庙沟断裂，属正断层，倾向西南，倾角75度，破碎带宽10—50米，基本控制了中生代商州盆地的形成。
华里西褶皱皱带
位于杨斜—商南复活断裂以南，为泥盆—石灰系地层分布区，并以复理式沉积为特征。在境内的为凤凰寨复向斜北翼，向斜核心部位为下石炭统二峪河组，翼部依次出露泥岔系下东沟组、青石垭组、池沟组、刘岭组地层。本褶皱带内的断裂构造主要为杨斜—商南复活断裂，呈北西西、南东东向延伸，为正断层，倾角70—80度。切穿震旦—第三系地层，破碎带宽50—200米。这一断裂带规模大，形成早。

山川大势

商州地貌是东秦岭山地地貌的组成部分，是一个结构复杂的以中、低山体的土石山区，地势西北高、东南低。全区最高点秦王山海拔2087米，最低处两岔口刘一村南湾海拔543米，相对高差1544米。

境内主要山系，西北有秦岭主脊通过，北有蟒岭横亘，南有流岭逶迤，中有熊耳雄踞，构成了北、西、南三面高崇，向丹江河谷倾斜的趋势。登高远眺，由丹江河谷向两侧山脊地貌呈层状起伏。

山岭交错、千沟万壑的地貌形态与地质构造和岩性有着密切的关系。北部及西部是比较古老而坚硬的岩层地区，山势巍峨陡峻，不少地方出现悬崖峭壁；南部是质坚而脆的岩层地区，节理发育，地势突兀。黑山、北宽坪等地是花岗岩分布区，流沙严重，山势浑圆，关若馒头。丹江沿岸和大荆、腰市两处凹陷盆地分布的杂色砂砾岩，为丘陵地带，山势低矮和缓，岩石风化强烈，水土流失比较严重。丹江及主要支流南秦河、大荆河、腰市河沿岸为河流堆积区，地面平坦，地势开阔，土地肥沃，为传统的主要农耕地区之一。

沟大、沟多、沟深、石多、土薄的岭谷地貌，使商州农耕地分布零散，低产田多，农田水利基本建设难度大，给发展农业生产带来困难。但山大、山多亦为发展林、牧业提供了有利的条件。

地貌分区

河谷川塬地貌区：分布于丹江及其主要支流两岸，包括陈塬以东至孝义，以及杨峪河、大荆、腰市、李庙等地的川道和两侧坡塬。海拔900米以下，相对高程小于100米。川区地面平坦，以小于5度的坡度向河床倾斜，坡塬坡度一般不小于10度。地势开阔，土层较厚，土质肥沃，水利条件较好，是基本农田集中分布的农业区。其成因是流水侵蚀—堆积作用。它本身又发育成滩地、河谷阶地及河谷坡地3个小地貌区。在水土流失方面，两岸谷坡表现为侧蚀，谷底为卵石、沙及淤泥土堆积，该区分布面积为588.6平方公里，占全区总面积的22.4%。

低山丘陵地貌区：低山丘陵为复合地貌类型，低山大致成马蹄状分布，丘陵为侵蚀切割而成，成为低山的下沿部分，主体位于境内北部和东北部及中部的广大地区，包括板桥、洪门河、麻街、北宽坪、黑龙口等乡的全部及腰市、李庙、西荆、龙王庙、三岔河、麻池河乡的大部或部分地区。总面积1211.8平方公里，点全市总面积的45.96%。海拔800－1200米，相对高程100－300米。沟谷底部比较开阔平缓，有分选均匀的砂、砾分布，两岸至坡脚有波积与洪积物组成的不小片耕地，是山区耕作的基本基本农田。谷坡上缓下陡，缓坡段在25度以下，有波积物发育而成的石碴土，现多被垦殖耕种。沟垴汇水盆地和洼槽也是山坡地的分布地段。由于荒岩破碎，风化强烈，加之坡较陡，植被少，水土碎石流失较为严重。花岗岩区因风化流沙致土壤沙化。低山丘陵分为两大片，一片是由金陵寺往东南到两岔口，另一片是西荆、大荆、腰市向东至郭村。海拔750－1200米，相对高度100－300米。坡度较缓，一般在25度以下，由第三系红色岩层和侏罗—白垩系地层组成。丘陵区沟谷开敞，谷底平缓，两岸分布着塬状或条带状农田。此类地貌区植被稀少，基岩裸露，沟壑发育，水土流失严重，上冲下淤，沟床变浅，不少地方形成地上河，且洪水垮坝现象时有发生，川台地遭水冲沙压大受其害，丘陵地区坡地多，有坡梁地、坡腰地、坡脚地之分。坡梁地较平展，土层厚薄不一，边缘部分片状侵蚀强烈，易旱。坡腰地水、土、肥流失严重。坡脚地土层较厚且肥沃，但滑溜现象多。

中高山地区：分布于境内西北部和西部秦岭南翼，西南部和南部的流岭，东北部的蟒岭，包括牧护关、砚池河、闫村、上官坊、黑山、北宽坪的全部和三岔河、刘湾、沙河子、龙王庙等乡的大部或部分地区。总面积837.04平方公里，占全市总面积的31.64%，海拔1200－2000米，相对高500－1000米。地表岩层为花岗岩、古老的深变质岩及石炭系浅变质岩。山大沟深是本区的主要特点。沟谷多呈箱形，谷坡陡峻，多在30度以上。耕地分布于梁、洼、槽及沟道，陡坡地所占数量很大，是弃耕还林还牧的重点地区。