合川区地处中丘陵和川东平行岭谷的交接地带。出露地层从老至新有古生界二叠系、中生界三叠系和侏罗系、新生界第四系。其中，以侏罗系分布面积最宽，占全区幅员面积四分之三以上。侏罗系中又是沙溪庙组面积最大，达1664.03平方公里，占幅员面积的70.62%。合川区太和镇马门溪还合川区首次挖掘出了世界上最大的恐龙化石“马门溪龙”。地质构造属新华夏系构造体系，全境有两种地质构造类型：境东及东南部属川东平等岭谷区华蓥山复式背斜褶断带，其余的大部分地区属川中褶带龙女寺半环状构造区。全市地貌因受地质构造和岩性的制约，其特征是东、北、西三面地势较高，南面地势较低。最高点是三汇镇白岩头，海拔高度为1284.2米；次高点在西部龙多山，海拔高度619.7米；最低在南面的草街镇嘉陵江边，海拔185米。全境地貌大致分为平行岭谷和平缓丘陵两大类型：东南边缘之华蓥山区为平等岭谷地形，分布面积359平方公里，占幅员面积的15.5%；西北部广大地区，属川中丘陵盆地，为平缓丘陵地型，分布面积1997.21平方公里，占幅员面积的84.5%。