一、地层
本县广为第四系土壤堆积物覆盖，仅在中西部大潜山——防虎山一带有较多基岩出露，面积约300平方公里。全境除有极少前震旦系变质岩系外，皆为中新生代陆相地层。现自老而新分述如下：
前震旦系这是一套深度风化的变质岩系，见于防虎山南麓，呈东西向狭窄条带断续出露。岩性主要为黄棕、褐灰、灰、灰绿等色之片麻岩和云母片岩，夹有石墨片岩，厚度不明。其时代归属有争议，暂统于前震旦系，是否包含有更新的地层，尚难定论。
侏罗系这是本县出露的最主要地层，占据了上述基岩区的绝大部分。另外，巢湖中的孤山也由此构成。这是一套湖泊相沉积，可划分如下地层单位：
下侏罗统防虎山组：属含煤碎屑沉积，不整合于前震旦系之上，以靠山郢—何老庄出露最完整，为建组的标准剖面。出露厚度402米。其岩性下部以灰白、灰黄色砾岩和中粗粒长石砂岩、长石石英砂岩为主，偏上部夹炭质页岩和透镜状煤；上部为灰和深灰色细粒长石石英砂岩及粉砂岩和炭质页岩中含植物Podozamiteslanceolatus(披针苏铁杉)，Cladophlebissp.(枝脉蕨)，Neocalamites cf. hoerensis(Schimper)(霍文新芦木比较种)；双壳类Sibiriconcha cf. anodontoides(Chernyshev)(亚洲西伯利亚蚌比较种)等化石。
中侏罗统周公山组：标准地点在周公山。前人曾有将本组分为圆通山组(下)和周公山组(上)。本组分布于防虎山组之北，露头较之为广，由大潜山东延至周公山、圆通山、紫蓬山一带，与防虎山组假整合接触，总厚度2100米。下部为紫红色细粒铁泥质长石石英砂岩和粉砂岩夹含砾砂岩，部分含有钙质结核；中部为黄绿、灰绿、紫红等色之细粒泥质长石石英砂岩和粉砂岩、粉砂质钙质泥岩，夹紫红色薄层粗粒砂岩，产植物化石碎片；上部为紫红色含砾粗粒长石砂岩、砂岩，夹钙质粉砂岩。
上侏罗统毛坦厂组：仅见于巢湖中的孤山。岩性为安山岩和同类凝灰岩。与下的接触关系在邻县所见为不整合接触。厚度不明。
白垩系根据钻探资料，本县白垩系广泛发育于金桥—官亭—上派河一线以北地区，厚度可能达3000米以上，但地表仅在江淮分水岭和小蜀山等地有极小的孤零露头。地表所见为紫红和砖红色砂岩及粉砂岩，夹有泥岩和砂砾岩。据邻区资料，与侏罗系假整合接触。
第三系本县仅发育下第三系(古新统～始新统)。根据钻探资料，在大潜山—防虎山—董岗—刘河一线以南的第四系之下，广泛发育下第三系，但地表仅在山南镇之北有孤零露头。据花岗附近钻探资料，本系总厚3291米以上。下部为浅棕、棕、棕褐、紫红色含砾粗砂岩和中细粒砂岩、夹粉砂岩和泥质粉砂岩、泥岩，韵律较发育，未见底，厚＞1685米；上部为棕褐、棕红色泥岩、泥质粉砂岩和深灰绿色页岩，夹灰白色砂岩，偏上部粒度变粗，并有少量砾岩，未见顶，厚＞1606米。这套地层内含介形虫Cypridea? sp.(女星介?)Metacypris sp.(圆星介)，Candona sp.(玻璃介)，Eucypris sp.(真星介)，以及轮藻，动物骨胳等化石。
此外，在小蜀山、鸡鸣山等地还见有橄榄玄武岩等基性火山岩，并有辉绿岩次火山侵入体。两地构成两个并列的火山口。
第四系不整合覆盖于前述各时代地层之上的第四系松散堆积物，广布于全境。其厚度在大柏店—上派河—柿树岗—洪桥连线之西在10米以内；五十里小庙—花岗—桃溪镇以东20米以上；再向东可达40米左右，局部更厚。故基岩顶面从大潜山—防虎山一带向四周降低，总体上呈东倾之穹状。
本县第四系，除现代较大河流沿岸发育全新统砂砾和粉砂质粘土，及粘土质粉砂等所组成之河漫滩一级阶地外，大部分地区为上更新统组成的二级阶地。岩性以棕黄、灰黄、褐黄色粉砂、粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，常含钙质结核和铁锰质小球。
二、构造
本县属合肥盆地南缘，广为中新生代地层所覆，前中生代地质情况了解不清。其所属大地构造位置有两种不同意见：其一，属北淮阴地槽而归入秦岭地槽褶皱系；其二，以六安深断裂(见后)为界，其南北分属北淮阴地槽和中朝准地台。
县境内，以大潜山—防虎山为中心，构成向四周倾斜的西东向穹窿构造。地层自中心向外变新，中心部位为侏罗系和少量前震旦系。向外围为白垩系和下第三系；地层倾角也有由内向外逐渐变缓，中心40°～45°，向外减至15°～20°左右。穹窿构造的南部被六安深断裂切割，使断裂南侧显著地相对沉陷，形成并列于穹窿构造南侧的花岗盆地，其内由第三系构成。本县主要处于该盆地之中偏北部。
县内断裂构造不甚发育。近东西向之肥中深断裂和北北东向的郯庐深断裂，分别从县境北、东外侧通过，对本县有一定影响，引起一些同方向的小断裂。县内最重要的断裂有两条，分别通称蜀山断裂和六安深断裂，都呈近东西向延伸，隐伏于第四系之下。
蜀山断裂从县北部江夏——五十里小庙一带通过，东西两端均延出县境。该断裂显示为航磁异常呈微向南凸的近东西向异常带；重力异常为明显的梯度带，向上延拓5千米梯度带仍较明显。同时，控制小蜀山、鸡鸣山等地的基性火山喷发，发育火山口。而且，由于断层破坏而造成地层缺失，北侧上白垩统上部直接与断裂南侧之侏罗系或下白垩统相接触。断层面向北陡倾。
六安深断裂又称肥西——韩摆渡断裂。经霍邱、六安、肥西直抵郯庐断裂带，全长197公里。从本县南部防虎山南麓—董岗一带通过，两端延出境外。断裂之北为宽缓正磁异常区，属古老的结晶变质岩系引起。所以，有的认为这是两种不同基底岩系的分界线。重力异常显示为交变带，向上延拓20公里交变带特征仍较明显。在卫星相片上，该断裂显示出清晰的线性影象特征。此外，在防虎山以北于1954年曾发生5.25级地震，可能与此断裂有关系。由于该断裂影响，总体上北升南降，造成地层缺失，南侧第三系与北侧侏罗系和前震旦系等断层接触。断层面产状不明。
三、矿产
根据目前的地质勘探资料，肥西属贫矿区。仅有的几种矿化如下：
铁锰结核分布在巢湖北岸，成一带状，长约20公里。铁锰结核充于第四纪冲击层内，有时直接暴露地表。黄色、褐色、褐黑色；成泥质胶结的块状或散砂状。含铁(平均品位，下同)14.9%，含锰2.54%，含硫0.005%；估计储量为9万吨；由于品位低，没有开采价值。
蛭石分布于小蜀山和鸡鸣山之玄武岩、辉绿岩中。蛭石是黄褐色、金黄带黑色，片状，硬度小，具挠性，经煅烧体积能膨胀10～30倍以上，可制岩棉（保温材料）。
石墨位于聚星街以南约2.5公里小磨墩，呈东西向分布，长不及300米，范围很小。矿层灰色或钢灰色，呈鳞片状，污手，具滑感，疏松易碎，质量不佳。
此外，县内还有丰富的沉积岩，河砂、粘土等，可作建筑材料和制陶原料，均未进行过正规的地质工作。