武陵源在区域构造体系中，处于新华夏第三隆起带。在漫长的地质历史时期内，大致经历了武陵一雪峰、印支、燕山、喜山及新构造运动。武陵—雪峰运动奠定了本区基底构造。印支运动塑造了本区的基本构造地貌格架，而喜山及新构造运动是形成武陵源奇特的石英砂岩峰林地貌景观的最基本的内在因素之一。

　　构成砂岩峰林地貌的地层主要由远古生界中、上泥盆统云台观组和黄家墩组构成，地层显示滨海相碎屑岩类特点。岩石质纯、层厚，底状平缓，垂直节理发育，岩石出露于向斜轮廓，反映出砂岩峰林地貌景观形成的特殊地质构造环境和基本条件。而外力地质活动作用的流水侵蚀和重力崩坍及其生物的生化作用和物理风化作用，则是塑造武陵源地貌景观必不可少的外部条件。因此，它的形成是在特定的地质环境中由于内外地质重力长期相互作用的结果。

　　石英砂岩峰林地貌：武陵源共有石峰3103座，峰体分布在海拔500～1100米，高度由几十米至400米不等。峰林造型景体完美元缺，若人、若神、若仙、若禽、若兽、若物，变化万千。武陵源石英砂岩峰林地貌的特点是：质纯、石厚，石英含量为75％～95％，岩层厚520余米。具间层状层组结构，即厚层石英砂岩夹薄层、极薄层云母粉砂岩或页岩，这一层组结构有利于自然造型雕塑，增强形象感。岩层裸露于向斜轮廓产状平缓(5°～8°，局部最大达20°)，增加了岩石的稳定性，为峰林拔地而起提供了先决条件。岩层垂直节理发育，显示等距性特点，间距一般15至20余米，为塑造千姿百态的峰林地貌形态和幽深峡谷提供了条件。基于上述因素，加之在区域新构造运动的间歇抬升、倾斜，流水侵蚀切割、重力作用、物理风化作用、生物化学及根劈等多种外营力的作用下，山体则按复杂的自然演化过程形成峰林，显示出高峻、顶平、壁陡等特点。

　　构造溶蚀地貌：武陵源构造溶蚀地貌，主要出露于二叠系、三叠系碳酸盐分布地区，面积达30.6平方千米，可划分为五亚类，堪称为“湘西型”岩溶景观的典型代表。主要形态有溶纹、溶痕、溶窝、溶斗、溶沟、溶槽、石芽、埋藏石芽、石林、穿洞、洼地、石膜、漏斗、落水洞、竖井、天窗、伏流、地下河、岩溶泉等。溶洞主要集中于索溪峪河谷北侧及天子山东南缘，总数达数十个。以黄龙洞最为典型，被称为“洞穴学研究的宝库”，在洞穴学上具有游览和探险方面特殊的价值。

　　剥蚀构造地貌：分布于志留系碎屑地区，见及三亚类：碎屑岩中山单面山地貌，分布于石英砂岩峰林景观外围的马颈界至白虎堂和朝天观至大尖一带；鲤鱼脊Ⅴ谷中山地貌，分布于湖坪、石家峪、黄家坪等地；碎屑岩低山地貌，分布于中山外缘，山坡较缓，河谷呈开阔的Ⅴ型。

　　河谷侵蚀堆积地貌：本类型可分为山前冲洪扇、阶地和高漫滩。前者分布于沙坪村，发育于插旗峪—施家峪峪口一带；索溪两岸发育两级阶地，二级为基座阶地，高出河面3～10米；军地坪—喻家嘴一线高漫滩发育，面积达4～5平方千米。

　　珍奇的地质遗迹景观：武陵源回音壁上泥盆系地层中砂纹和跳鱼潭边岩画上的波痕，是不可多得的地质遗迹，不仅可供参观，而且是研究古环境和海陆变迁的证据。分布在天子山二叠系地层中的珊瑚化石，形如龟背花纹，故称“龟纹石”，是雕塑各种工艺品的上好材料。