除下泥盆統、上石炭統、部分白堊系和第三系外，庫區地層出露於前震旦系至第四系(表3-1)。它的分布是從東到西，從舊到新。三鬥坪至何苗河段出露的前震旦紀結晶巖；何苗至湘西為震旦系至三疊紀至侏羅紀地層；牛口至觀武鎮中、下三疊統大面積出露；在關務鎮以西近400公裏的庫區廣泛分布侏羅系地層，僅在背斜核部出露三疊系地層和少量二疊系地層。第四紀沈積物散布在河流階地、剝離面和斜坡上。分布相對集中、體積較大的第四系堆積體多為崩塌和滑坡。
根據巖相結構和巖體結構特征，本區地層可分為四種工程地質巖石:
塊狀結晶巖:包括前震旦紀塊狀巖漿巖和中深變質巖。僅分布於何苗-三鬥坪壹帶。
層狀碎屑巖:主要是中上三疊統和侏羅系的紅層，是本區的主要滑動巖石，主要分布在湘西至秭歸壹帶和奉節至庫尾壹帶。
層狀碳酸鹽巖:上震旦統、寒武系、下奧陶統、石炭紀、二疊紀和下三疊統。主要分布在何苗至奉節的主要支流及烏江段。
松散軟巖(土):第四系松散軟堆積，多為市區殘坡堆積、滑坡堆積、人工堆積。屬於該地區滑巖(土)。
(2)地質構造
三峽庫區全部位於揚子地臺區，北鄰秦嶺地槽。
以巫山與奉節之間的齊嶽山基底斷裂為界(大致呈西南方向分布於奉節至石柱之間)，西臨四川臺坳(川滇地塊坳陷)，東臨上揚子臺褶皺帶(鄂西地塊隆起)。靠近庫首的地段(三鬥坪-巴東)位於上揚子臺褶皺帶，巴東至奉節處於上揚子臺褶皺帶與四川臺坳的過渡帶。該區主要經歷了三次強烈的構造運動，即震旦紀前的晉寧運動、侏羅紀末的燕山運動和古近紀末的喜馬拉雅運動。晉寧運動使前震旦紀地層強烈褶皺變質，並伴有多期巖漿活動，形成古老的結晶基底。燕山運動主要表現為蓋層的褶皺和斷裂，對基底的破壞較小。揚子臺褶皺帶古生代至中三疊世海相沈積蓋層發育良好，燕山運動完全褶皺。四川臺坳在古生代是揚子準地臺的相對隆起區，缺少泥盆紀和石炭紀地層。喜馬拉雅運動轉變為以整體隆升為特征的新構造運動，只是蓋層略有變形，少數斷層弱繼承。
折疊
三峽庫區橫跨川鄂褶皺帶中段和川東弧形褶皺帶東段，北部為大巴山弧形褶皺帶，東南部為長陽東西向構造帶，西南部為川黔南北向構造帶，東部為準陽山狀構造。庫區褶皺的特征是壹系列由西向東的NNE弧形褶皺被巴山弧形阻擋，由西北向外突出，由東北轉向東北，最後與秭歸向斜近東西向相交，嵌入秭歸向斜。
褶皺形態以奉節為界，奉節以東的背斜是閉合的，並伴有反轉。向斜是具有次級褶皺的復合褶皺，次級褶皺多沿主槽兩側呈平行斜線分布。奉節西向斜寬闊平緩，背斜閉合，形成“阻斷”構造。
根據走向，該地區的褶皺可分為四組:
(1)軸向近南北向褶皺
軸向近南北向的黃陵背斜和秭歸向斜位於巴東東部，走向與長江近正交；
(2)軸向北東向褶皺
白浮坪背斜、楠木源背斜、官渡-北市背斜、橫石溪背斜、巫山背斜、齊嶽山背斜等。在東北部，分布在奉節和巴東之間，長江斜向它。
(3)軸向自西北向外凸出的弧形褶皺。
奉節至涪陵的廣大地區是壹系列向西北突出的弧形褶皺，包括方鬥山向斜、豐都-忠縣向斜、牯嶺向斜、大池-甘井向斜、萬縣向斜、東村向斜、鐵峰山向斜、墊江-梁平向斜和曲麻河向斜。長江基本平行於構造線。
(4)軸向北北東向褶皺
涪陵以西有壹系列北東向褶皺，包括夏明月向斜、麻柳場向斜、光復寺向斜、銅鑼向斜、南溫泉向斜、江北向斜、龍王洞向斜、悅來場向斜、觀音峽向斜，長江大部分與它近正交。
破裂
這個地區的斷層不發育。儲層壹段有九灣溪斷層、仙女山斷層和新華斷層。巴東-奉節段包括齊嶽山斷裂、恩施斷裂、郁江斷裂和潛江斷裂。奉節以西的斷層不發育。區內較大的仙女山和新華斷裂距離庫區較遠，穿越幹流水庫的主要斷裂只有九灣溪、牛口、橫石溪、楊家棚和黃草山等。此外，建始斷裂北延段出現的平陽壩斷裂和北市斷裂與龍川河、冷水溪等支流相交。這些斷層規模都不大，沒有造成大規模的巖體破壞。
(3)新構造運動與地震
庫區新構造運動屬於三峽西南隆起亞區。以近年來局部地區大規模間歇性整體擡升和差異斷層活動為特征。隆起的中心是奉節-巫山地區，最大上升幅度達2000米。其特點是隆起的不均勻性、傾斜性和間歇性，造就了長江兩岸的五級剝離面和六級階地。第四紀以來，地殼上升速度加劇，河流強烈下切，造成三峽河段岸坡高陡，滑坡多。
新構造運動的另壹個重要表現是差異斷層活動。最近還在活動的斷層有仙女山斷層和九灣溪斷層，都屬於活動斷層。
震區地震級別不高，烈度小，頻率低。地殼相對穩定，屬於弱地震環境。根據國家地震局1990年中國地震烈度區劃圖(1:400萬，50年超越概率為10%)，庫區大部分為VI度及以下。
地震是斷層活動的重要表現。水庫首段最大地震為秭歸龍回關地震，震級為5.1 (1979.5.2)，震中距離長江僅8公裏。水庫末端重慶地震達到5.3級(1989.11.20)，震中距離長江15KM。根據對庫區地震歷史和地震地質條件的研究，不能排除歷史上同壹地震的重復發生和庫區更大地震的發生。為安全起見，在評價滑坡和庫岸穩定性時，奉節以上按ⅵ度考慮，奉節以下按ⅶ度考慮。
根據三峽工程的研究成果，何苗-白帝城庫區存在斷層破裂誘發水庫誘發地震的可能性。可能預報地震的區域有兩個:壹個是西陵峽與秭歸盆地交界的九溪灣斷裂與長江、香溪河的交匯處；另壹條是秭歸牛口至巫山北石庫段。可能誘發地震的最大震級估計不超過6級。此外，還有誘發巖溶小地震的可能。除支流烏江、嘉陵江回水範圍內的碳酸鹽巖分布區可能產生巖溶小震外，其他水庫斷面壹般不具備水庫誘發地震的條件。
(4)地形
庫區位於中國地形第二階梯的東緣，全國地貌分為板內隆起和侵蝕的中低山。
庫區地貌明顯受地層巖性、地質構造和新構造運動控制，以奉節為界分為東、西兩個地貌單元。
中山峽下遊三峽的侵蝕與溶蝕
奉節以東，區內地貌以大巴山、巫山為基礎，形成震旦紀至三疊紀碳酸鹽巖組成的川鄂褶皺山，屬於中山峽谷低山寬谷的地貌景觀，以侵蝕、溶蝕為主。這條山脈大致呈東西走向，部分呈南北走向。長江多是斜的或橫的，所以山谷多是斜的或橫的。高峰海拔多為1000-2000m，相對高差約為1000m。河谷狹窄，岸坡陡峭，江面壹般寬200-300米。山脈的走向也受構造的控制。大巴山脈呈西北-西北走向屹立在庫區北部，主峰大神農架高3050米，是長江和漢江的分水嶺。巫山山脈北起鄂、川(今重慶)交界，呈東北-東北走向，從綠蔥坡到雲臺沙漠，海拔1800-2000m，是長江和清江的分水嶺。長江谷深，兩岸群峰聳立，谷窄水流湍急，形成了著名的長江三峽。該段地貌的另壹特點是層狀地貌明顯，從分水嶺向長江流域逐級下降，呈現兩階段四級夷平。長江兩岸支流發育，西北方向為北岸支流，東北方向為南岸支流。
川東侵蝕剝蝕低山丘陵平行“嶺谷”剖面
奉節西部屬於四川盆地東部，以侏羅紀碎屑巖為主的低丘寬谷為主。山脈受構造控制，形成壹系列呈東北-西南方向分布的狹窄低山(向斜丘陵)，形成獨特的平行嶺谷景觀。整體地勢從盆地邊緣向中心逐漸降低，奉節地區海拔近1000米，長壽附近逐漸降低到300-500米。高聳突出的帶狀山脊由堅硬的石灰巖和砂巖組成，山脊海拔壹般在700-800米；低丘多由砂巖和粘土巖組成，山頂海拔壹般在300-600米。長江蜿蜒於向斜谷地，形成開闊平緩的寬谷，部分地段穿越背斜時往往形成短峽谷。
庫區微地貌多種多樣，主要是流水地質和重力地質對山區改造的產物，如沖溝、沖積扇、堆石堆、滑坡等。長江流域巫山至雲陽壹帶可見ⅱ-ⅳ級階地，重慶李勇坨壹帶可見ⅰ-ⅵ級階地。庫區局部還發育巖溶溝、巖溶槽、巖溶漏鬥等巖溶地貌。
(5)水文地質
三峽庫區地下水類型主要有:
松散巖類孔隙水、碎屑巖裂隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水和結晶巖風化帶裂隙孔隙水。其中，包氣帶中的懸浮水和潛水是三峽庫岸最常見的地下水，對庫岸穩定性的影響最直接。根據其地下水動力模式，可進壹步分為間歇入滲裂隙潛水、間歇入滲孔隙潛水和裂隙充水承壓型。後者是降雨型滑坡形成的重要驅動力。
坡體內由層間砂巖組成的層間水屬於承壓水動力型。根據其循環特征，可分為弱循環承壓水和強循環承壓水兩種。弱循環承壓水主要在補給區循環，對岸坡演變影響不大。強循環承壓水多發育在“重力傾斜地面”，補給時間長，水壓大，可快速向下傳遞。這種水對上覆地層的揚壓力是水庫岸坡變形破壞的重要驅動力。