（一）地层
亳州市地层属（华北）皖北地层区阜阳小区及淮北小区。地表全为第四系（形成于250万年前至今）覆盖。其下分布有古生界的寒武系（形成于5.7亿年前至5亿年前）、奥陶系（形成于5亿年前至4.4亿年前）、石炭系（形成于3.5亿年前至2.85亿年前）、二迭系（形成于2.85亿年前至2.3亿年前）以及新生界的第三系（形成于6700万年前至250万年前）、第四系。由上而下依次为：新生界第四系全新统（形成于1.5万年前至今）、更新统（形成于250万年前至1.5万年前），厚度为0～74米左右，依次为浅黄和灰黄色粉砂、亚砂土、亚粘土；青黄杂色亚粘土、粉砂、细砂；棕红棕黄色亚粘土、粘土、亚粘土，含钙质和铁锰质结核；青黄杂色亚粘土、粘土、亚砂土，含砾中粗砂和少量钙质结核、铁锰质结核。新生界第三系上统（形成于2250万年前），厚度约598～758米，上部为浅棕黄色粉砂质泥岩与泥质粉砂岩互层，下部为浅棕黄色粉砂质泥岩与细至中粒砂岩互层。上下部均有铁锰质结核和钙质结核。新生界第三系下统（形成于6700万年前至2500万年前），厚度约243～305米，上部为细砂岩、粉砂质泥岩；中部为含砾粗砂岩、夹粉砂质泥岩，见少量黄铁矿及煤线；下部砂砾岩及砂质泥岩夹煤线。第三系渐新世——始新世，厚度约318～748米，上段为粉砂质泥岩与泥质砂岩互层，底为中粒砂岩；中段为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细至中粒砂岩、含砾粗砂岩及砂砾岩；下段为泥岩，粉砂岩，细砂岩，底部为块状角砾岩夹含角砂砾岩。古生界二迭系上统，厚度为683米，上部为深棕、灰绿、灰白色泥岩，粉砂质泥岩，夹细至中粒砂岩；下部为灰白色粉砂岩、细粒石英砂岩、泥岩互层夹中粒砂岩，含煤层”古生界二迭系下统，厚度为200～385米，上部为灰色、深灰色页岩，泥岩互层，细至中粒砂岩夹砂质页岩，下部为灰黑色细至中粒长石石英砂岩，粉砂岩，含煤层。古生界石炭系，厚度约143～253米，上部为灰黑色页岩、泥岩，砂岩，下部为浅灰色粘土岩，紫红色细砂岩、粉砂岩、泥岩，含煤层。古生界奥陶系，厚度约427米，为中厚层灰白云岩、灰岩，白云质灰岩。古生界寒武系，厚度约500米，为灰质白云岩，白云灰质岩，灰岩。
（二）构造
亳州市位于中朝准地台华北坳陷南缘的界首坳陷带，第四系广布近东西向与北北东向构造发育。
褶皱构造区内次级属印支期（古生界三迭系——2.3亿年前至1.95亿年前——晚期的造山运动）褶皱构造。自北向南有张集背斜：位于西北部，轴向近北东，南窄北宽，北延出境。南以大吴集断层，东以梅城断层为界，核部由寒武系、奥陶系地层组成，两翼为石炭系。二迭系。亳县背斜：位于亳州城到梅城一带，为北东走向，南北以断层为界，核部地层为寒武系、奥陶系地层，两翼为石岩系、二迭系，轴部新生界厚度500～600米，两翼大于700米，为一含煤构造。观堂背斜：位于观堂一带，呈北东走向，背斜开阔平缓，核部由寒武系、奥陶系地层组成，两翼为石岩系、二迭系，含煤，有利地段为背斜两翼。
与背斜相间的有喜玛拉雅山期凹陷，凹陷有二：鹿邑凹陷：位于境西部，呈北东走向，由下第三系地层组成，厚度推测为700～800米。五马凹陷：位于境内五马集——油河集一带，呈北北东走向，新生界厚度大于700米。沉降中心在五马集附近，厚度可达1200米。
断裂构造境内有4组断裂构造发育。亳州市——淝河集断层：位于市东侧，长度大于72公里，呈北北东走向，亳州背斜和五马凹陷以此为界，系推测不明断层。泥店——油河集断层：位于泥店到油河集方向，长度54公里。呈北北走向，五马凹陷和观堂背斜以此为界，系推测不明断层。张完集断层：位于市境南部，东西皆出市境，呈东西走向。长度大于92公里，推测为正断层。大吴集断层：位于北部，长度大于25公里，为张集背斜的南界，并被亳州市——淝河集断层切割，为推测不明断层。
（三）含水岩组
浅部含水岩组深度0～40米。境内分布广泛。地下水主要赋存于上更新世古河道带砂层中，其富水性受沉积物结构、岩性和厚度制约，含水层岩性主要为河床相细砂、中细砂。远离河床水平相变成粉砂、亚砂及亚粘土，含水砂层一般2～3层，单层厚度3～14米，累计厚度10～25米。单井口径（降深近10米、口径800亳米），出水量10～50吨／时。水位埋深：涡河两岸5～10米，北部地区2～4米，南部地区0.5～2.5米。水化学类型均为重碳型，水温14.6～18.5℃，水良好。按富水程度可分为以下三级：单井水量30～50吨／时的，分布于张集、亳州城——大杨以及亳州城——十河、古城和张店一带，宽约10～15公里，含水岩性主要为细砂、中细砂，顶板埋深5～13米，底板埋深17～36米。厚10～25米。单并出水量20～30吨／时的，分布于武家河两岸，呈北西——南东向展布。岩性主要为细砂、粉砂，顶板埋深6～13米，底板埋深16～34米，厚4～12米。单井出水量10～20吨／时的，主要分布于赵桥——立德一线，岩性主要为薄层粉砂、亚砂土，底板埋深25～40米，厚度一般小于5米，局部5～7米。
中深部含水岩组深度为40～150米，包括中下更新统地层，岩性为细砂、中粗砂，其次为粉砂及小量泥质半胶结砂，主要分布于城区与张集之间，近东西展布，含水层厚度大于20米，最大达30米，单井出水量大于50吨／时，静水位埋深0.2～4.0米，局部自流。
深层含水岩组深度为150～350米，岩性以细砂为主，局部为粗砂、粉砂和泥质半胶结粉细砂，厚度20～60米，局部自流水位可高出地面3～4米，自流量单井300～700吨／日，水温一般高于20℃，具有开发地下热水的前景，局部地区有赋存矿水的可能。
（四）地貌
亳州市位于黄淮海平原南缘，地形平坦，地势自西北向东南微倾，坡降约1/7500，为典型堆积性地貌。沿涡河两侧大部分区域于全新世（1.5万年前至今）晚期接受黄河泛滥最新沉积，南部局部地区未受黄泛波及，为晚更新世晚期堆积，按成因——形态分类，可分如下三个地貌类型。
冲积平原由全新世黄泛堆积物组成，分布于境内油河集以北广大地区，沿涡河发育的为泛滥微高地。一般比远离河两侧地区高出0.5～3.0米，主要为淡黄色亚砂土。在泛滥微高地外与剥蚀平原相接地带为泛滥坡平地，地势低平，向南北倾斜，亚粘土为主，厚约0.5～4.0米。
剥蚀的冲积平原其坡向与黄泛冲积平原大体一致。这些平原自全新世以来，一直受剥蚀，次级地貌类型主要为河间平原，分布于南境古城一带，地势低平，主要为晚更新世棕黄色亚粘土夹少量砂礓。
微地貌东北部和南部多浅平洼地（当地称“湖洼地”)。主要的有原清游湖、舒安湖低洼地带（即今油河三岔口以下和包河入境处）。缓岗一般呈条状分布，少数为独立的缓岗，较大的有位于城郊的南北虎头岗、东西钓鱼台、南五里岗、牛屎孤堆、青凤岭、东西观稼台、明王台、望花台、四女孤堆及伍员庄户等遗址，均高出一般地面，为缓岗地貌。