沁源县地处山西断隆2级单元之内，包括霍山断拱和沁水台凹两个3级单元的一部分。霍山断拱即县内包括霍山断拱的东半部，以下古生界奥陶系中统顶部侵蚀面界线与沁水台凹分界。区内出露太古界太岳山岩群。构造以北东向、南北向褶皱及北东向断裂为主，在太岳山岩群中岩浆岩发育。沁水台凹即县内位于沁水台凹的中西部。出露地层为上古生界石炭系、二迭系及中生界三迭系下、中统。区内属北东向沁水复向斜的北西翼，次一级北北东向，南北向宽缓小褶皱非常发育，在王和、王陶一带发育有北东东向压扭性断层组，区内未发现有岩浆活动。

构造形迹
　　 沁源县的地质构造形迹表现为褶皱和断裂两种样式。以褶皱构造为主，均发育在寒武系至三迭系地层中，属于燕山期构造运动的产物。本区褶皱属北东向沁水复向斜中段的北西翼，次级褶皱以近南北向、北北东向为主，北东向次之，局部尚有北东东向。褶皱规模小，两翼岩层倾角低缓，为宽短、平缓开阔，多不对称的波状正常褶曲，呈雁行状排列。多发育在石炭系至三迭系地层中，部分在寒武、奥陶系地层中，属地台型褶皱类型。本区内断裂构造不发育，规模较小。断层分布较零散，相对集中于西北部王凤——虎限以北，西部好地方——百草——马背，王家湾、仁道、柏子——留神峪一带。根据断层总体走向，可以分为北东东向、北北东向或近南北向、北东向及北西向四组。以北东东向为主，相对规模较大，数量较多，北北东向次之，北东向及北西向均不发育，规模小，数量少。这四组断层相互穿插，其生成次序为：北北东向断层为早，依次为北东东向、北东向，北西向最晚。其性质北北东向为压性；北东东向、北东向为压扭性；北西向为张或张扭性质。由于燕山运动应力场作用，造成这些断层的东西挤压以及派生的南北向扭动。
地 层
　　沁源县出露地层由东到西，从老到新分布有古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二迭系；中生界三迭系；新生界第四系等地层。
古生界

　　寒武系和奥陶系 距今4．4—6亿年。寒武纪和奥陶纪时期地处浅海带，沉积大量碳酸盐和泥质的沉积物，形成相应的地层为寒武系和奥陶系。其中岩性有：结晶灰岩、泥质条带灰岩、鳞状灰岩、竹叶状灰岩、白云灰岩、白云岩和泥岩等，分布于鱼儿泉、五龙川、柏子、韩洪西北部，花坡东部、聪子峪西部等地区。
　　石炭系中统和上统，为一套煤层地层，岩性有砂岩、页岩、煤层、石灰岩、山西式铁矿和铝土矿等，分布于本县西部和西北部。
　　 二迭系其最下部为山西组，是一套煤系地层，岩性有砂岩、页岩、煤层和泥质灰岩，分布于本县中部和西部。下石盒子组为一套黄绿色岩层。其中岩性以黄绿色砂页岩组成。上石盒子组为一套杂色岩系，岩性为各种颜色的砂页岩互层。石千峰组，本组地层包括二迭系上统石千峰组，三迭系下统刘家沟组和和尚沟组等，为一套红色岩层，岩性以红色砂、页岩互层。集中分布于本县东部的白狐窑、交口、郭道、城关、定阳、法中、赤石桥、官滩等乡镇低山以上地段。
中生界

　　中生界都归入二马营组，其中岩性以绿色长石砂岩为主，夹紫色泥岩，分布于本县东部和大部地区。
新生界

　　新生界第四系，地层出露不全，仅有中更新统，上更新统和全新统。
　　中更新统离石组以红色黄土为主，多为洪积物。分布于城关、柏木、法中、定阳、韩洪、郭道、柏子、聪子峪、白狐窑乡镇的沟谷、断崖、侵蚀丘陵地带。
　　上更新统马兰组，以黄土为主，多为洪积物、坡积物。分布于王和、王陶、中峪、李元、城关、柏木、交口、郭道乡镇坡度较缓、切割较浅的丘陵地带。
　　全新统为近代河流两侧冲积物。分布于沁河及沁河支流的河漫滩和一级阶地，多为砾石、砂物质组成。
地貌分区
　　沁源为黄土高原区。长期以来，由于受地壳运动，内外营力的综合作用，形成了本县具有地表形态复杂多样，海拔高度相差明显的地貌特征。在内营力作用的影响下，四周隆起，中间下沉，出现了山脉、土丘、河谷等大的地貌类型；在外营力作用的影响下，又把这些山脉、土丘上的物质剥离、搬运到河谷、盆地，逐步进行夷平，造成了高低崎岖的地形。以相对高程和绝对高程为依据，全县可划为：河谷阶地、丘陵、低山、中山等四个地貌区。
河谷、阶地区

　　是区包括以沁河为主的较大河流的河床、河漫滩，一、二阶地。分布于白狐窑、交口、景凤、官滩、定阳、赤石桥、聪子峪、韩洪、郭道、城关、中峪、法中等乡镇海拔较低的地带，绝对高度939～1 200米，相对高度大于50米，面积165 029亩，占全县总面积的4．3％。
丘陵区

　　是区包括全县各地的侵蚀黄土丘陵地带和海拔较低的土石山区。一般位于一、二阶地上部，低山下部地段，绝对高度在1 000～1 600米，相对高度在200米以下，面积164 505亩，占全县总面积的4．3％。由于长时期受河流的侵蚀、剥蚀或地表径流，及人为的农田建设影响，形成了坡地、梯田、墚地、峁地、沟壑或沟坪地等小的地貌单元。
低山区
　　是区广泛分布于全县各地，处于丘陵上部，中山下部地带。绝对高度1 000～1 800米，相对高度200～500米之间，面积3 209 290亩，占全县总面积的83．8％。是区坡度较平缓，山谷较开阔。小地貌单元以低山斜坡、U形宽谷等为主。
中山区

　　 中山区可分为低中山和高中山两个亚区。
　　低中山区。是区分布于白狐窑、交口、郭道、韩洪、聪子峪、赤石桥、王陶、王凤、王和等乡镇的低山上部，高中山下部地带，绝对高度1 800～2 100米，相对高度500～1000米，面积223 476亩，占全县总面积的5．8％。
高中山区。

是区包括西北部的绵山，西部霍山和东部的老爷山、云梦山、伏牛山等山系。分布于花坡、鱼儿泉、五龙川、庄儿上、景风、官滩等乡的低中山上部地带，绝对高度2 100～2 523米，相对高度大于1 000米，面积69 138亩，占全县总面积的1．8％。主要地貌类型可细分为：单面山、复式山、圆顶山、尖顶山和“V”型峡谷等。
山脉山峰
山 脉
　　 旧志载：“沁源县环邑皆山，沁水汇流，峰峦合拱千秋峪。绵山镇其北，沁河绕其南，雕巢岭、蟠龙山距其东，霍太山峙其西，亦一方之胜也”。县境内有两大山脉。一为太岳山脉，另一为老爷山、云梦山脉。
　　太岳山脉北起王和镇石门则，南与安泽县交界处，由北到南，横贯全县西部。县境所属全长40公里，最大高程为漫山，标高2 835米，一般高程为2 500米，坡度在50～70度。其中由西北向东南伸进县境内中部6条支脉：
　　灵空山至龙头西山支脉，呈南北走向，全长29公里，山的最大高程羊土羊山，海拔1 655米，坡度为18度。
　　灵空山至州西岭支脉，呈东西走向，全长24公里，山的最高峰为候神岭，海拔1 627米，坡度为24．5度。
　　灵空山至交口乡龙泉山支脉，呈东西走向，全长23公里，最高峰是李元乡北山，海拔1 614米，坡度14．5度。
　　霍山至韩洪乡北山支脉，全长22公里，鱼儿泉乡红窑上东山为最高峰，海拔2 245米，坡度为16度。
　　漫山向东经棉上、郭道村，全长30公里，漫山的平顶山为最高峰，海拔2700米。
　　漫山至郭道村伏贵山支脉，全长12．5公里，最高峰为2 343米，坡度为15度。
　　老爷山、云梦山脉 由武乡县山涧寺起，向南呈南北向至本县法中乡雕巢岭。横贯全县东部。县境所属全长64公里，一般高程为1 500米，其中由北向西、西南伸入县境中部有6条支脉：
　　武乡山涧至东山支脉，全长24公里，庄儿上乡南山为最高峰，海拔1 954．7米，坡度为20度。
　　 景凤乡北山至郭道镇东山支脉，全长24．5公里，景凤乡北山为最高峰，海拔1813米，坡度为16度。
　　 景凤乡西沟至定阳乡西沟山支脉，海拔1789米，坡度为17度。
　　 活凤村棋盘山至定阳乡石人圪瘩支脉，全长13公里，棋盘山海拔1 827米，坡度为15度。
　　圣佛岭至郭道镇阳城东山支脉，全长11．5公里，最高峰是王家山，海拔1725米，坡度为17度。 
　　马泉南山至法中乡北山支脉，全长21公里，醋柳沟北山为最高峰，海拔1 700米，坡度为10度。
山 峰

　　属于太岳山脉的山峰有：
　　紫金山　位于县城西，系霍山支脉，海拔1 435米。
　　碾台山　位于县城西北65公里，与霍山相连。
　　养老山 位于县城南20公里，中峪乡蔚村之东。山前有梨花寨。相传樊梨花之母曾居于此，现房舍遗址瓦砾尚存。
　　天池山　位于县城北25公里，郭道镇境内，与朱鹤岭相连。山顶有一泓池水，四季不涸，故名。
　　 红祠岭　位于县城西北17．5公里，后讹传为候四岭、候神岭。
　　州西岭　位于县城南5公里，方圆10公里。隋唐间曾置沁州，其岭在州治西，故名。
　　朱鹤岭　位于县城北15公里，郭道镇西南，后讹传为猪窝岭，上有风神庙。
　　石锅山 位于县城西北25公里，柏子镇寓仁村之南，山上有大石一块，高3．3米，宽2．7米，顶有天然凹形，故名。相传唐先师菩萨赴灵空山途中在此造饭。
　　灵空山 位于县城西北30公里处，山势陡峭，四周石壁如屏，西与霍山相连，海拔1 440米。唐先师菩萨寺，亦名圣寿寺，修筑于此，今为县旅游胜地。
　　绵山　位于县城北60公里处，方圆百里，西与介休县抱腹岩相连，山势涧壑深杳，峰峦层叠，上有介子推祠，今废。
　　 螺山位于县城南12．5公里北石村西端，北与州西岭相连，上有螺山古刹，今废。
　　云盖山　位于县城西15公里，上有白候神庙。
　　青石山　位于县城北40公里，山多青石，遥望如黛，上有古寺，周围遍生松柏。
　　静草巍山 位于县城西北约百里，南与灵空山相连，其山势极高，风猛寒凛，七月凝雪，寸草不生，故名。
　　仁雾山　位于县城北25公里，郭道镇之东，系绵山分脉，方圆35公里，上有慈云寺，今废。
　　 上虎山　位于县城西北25公里，山上林木丛生，状若屏障，上有香林寺，今废。
　　 轿轿岭　位于县城西北70公里，其山势峭削如轿，故名。
　　天寿山　位于县城55公里，王陶乡豆壁村之东，上有佛庙。
　　千秋岭　位于县城北75公里王和镇太山沟境内，俗名太山神岭，上有太山庙。
　　王和岭　位于县城北70．25公里，王和镇之北，与介休县交界处。
　　界碑岭　位于县城北77．25公里，王和镇后沟村之东，旧时山上立界碑，与平遥县分界，故名。
　　属老爷山，云梦山脉的山峰有：
　　琴泉山　位于县城东，方圆15公里，海拔1 547米，山上有琴高真人庙，庙前一泓，名灵泉。今庙、泉俱废。
　　笔架山　位于县城东北35公里，白狐窑乡五凤峪村西，其山山峰有三尖并峙，状似笔架，故名。
　　天神山　位于县城东北60公里，为景凤村之襁。其山危峰耸峙，万松蔽日，形势若马，曾名北马山。相传晋石勒曾于此祀天，并建天神庙，故名。
　　雕巢岭　位于县城东南25公里，绵延15公里，与屯留县接壤，其山有雕筑巢于上，故名。
　　楼门山 位于县城东北30公里，山势巍峨，两岸陡峭，山岭如楼门，故名。
　　青龙山　位于县城东，山顶常有云雾，状若青龙，故名。山顶有青龙庙，今废。
　　青果山　位于县城东北25公里，山顶涌泉，四时不涸，泉旁有青果寺，今废。
　　五花山　位于县城东北15公里，与青龙山相接，上有狐突庙。
　　龙居山　位于县城东北40公里，上有麻衣寺，今废。
　　龙泉山　位于县城东北30公里，郭道镇阳城村南，山峰突起，东西蜿蜒如长蛇，故名。
　　 风景山　位于县城东北50．25公里，庄儿上乡榆坪村境内，山势峭削，壁立如屏，峰顶有大松，高30余米。 
　　 老鸦岭　位于县城东北20公里，交口村西，俗名老马相岭，传有黄色鸦居住，故名。
　　 圣佛岭　位于县城东北30公里，白狐窑乡境内，与沁县分界处。
　　才子坪岭　位于县城北45公里，才子坪村北。山顶有关公庙。