大峡沟景区所在地舟曲县地处青藏高原东缘，南秦岭西翼和崛山山脉交汇地区，属西秦岭地质构造带南部陇南山地。该区地质远在印支期造山运动时升为陆地。后经燕山运动和喜马拉雅运动，南秦岭西翼崛山山系生成，呈东南一西北隆起伸延。同时，受长期的挤压、扩张、褶皱和复合过程影响，地质体多期性的断裂构造明显，其中背斜北翼沿葱地一舟曲县城一中牌一线发育的一组区域性挤压断裂带，控制分割断层，影响着山地及白龙江沟槽的总体去向。区域性岩浆活动十分活跃，地震频繁，山体结构松散。趋升运动为主的新构造运动剧烈，地表切割显著，形成境内山峦起伏，沟壑纵横，山高谷深及有多级台地，小盆地和走山滑坡等地质现象。

境内裸露地层有古生界志留系和中生界三叠系褶皱而成走向西北的复背斜。古生界主要为碳酸盐岩，志留系表现明显，有巨厚的含炭千枚岩，页岩夹薄层灰岩。中生界三叠系呈砂、页岩交互渗合的隆相碎硝岩。

境内地势地貌复杂，呈一江两河深切，岷江、迭山纵横交错，地势自西北向东南倾斜，海拔高程1173-4504m，其中，白龙江谷地海拔较低，高度在1200m左右。南北两侧的山地高峰可达4000m以上。南部的羊布梁(海拔4213m)、青山梁(海拔4504m ) ，北部的葱地山(海拔3946m)、雷古山(海拔4154m)。中部的大草坡、葱花坡、吊草坡一带，山势较缓，海拔在3000m左右。县境内山地坡度在25度以上的山地约占总土地面积的70%。