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。