本县大地构造，属扬子台坳安庆凹断褶束的中段偏北，除印支燕山期褶皱，一般呈北东向和近东西分布县境外，燕山期多组断层贯穿县内。晚三迭世前，以海洋环境为主，沉积了大量海相岩层。晚三迭世印支运动后，转变为陆地，沉积物以陆相为主。
一、地层
境内出露地层有自古生界志留系以上地层9个系。自老至新序列是：古生界：志留系、泥盆系、石炭系、二迭系；中生界：三迭系、侏罗系、白垩系；新生界：第三系、第四系。
志留系下统高家边组在繁昌境内缺失。中统坟头群分布在境内乌金岭至元帽顶、老屋基、凌后冲一带，厚321米，以砂岩、页岩为主。上统塞山组，厚303米，组成岩层与中统相似。生物化石以笔石、珊瑚、三叶虫等无脊椎动物为主。
泥盆系下统茅山群，厚99——336米，一般为灰绿色碎屑石英砂岩、粉砂岩互层。在寨山和长龙山两侧上统五通组，厚50——100米，一般上部以黄色砂岩石英岩，局部夹紫红砂页岩，下部以白砂岩、石英岩为主，零呈分布于杨山、顺风山、上里俞以及五华山南麓。本系含有磷矿和赤铁矿。
石炭系出露于走马岗、蚂蚁山(马鞍山)一线及阳山、小阳冲等地，厚13——18米以中至厚层灰岩、夹生物灰岩为主，具球状构造。本系主要赋矿层位如桃冲铁矿、金石墩铁矿等。
二迭系下统栖霞组厚100——300米。以灰黑燧石层、燧石灰岩、沥青质灰岩炭质页岩为主。出露于响鼓石、庆家冲、杨山脚等地。上统龙潭组分布于桃冲、长形冲、阳山冲等地。本组厚139。73米，底部为黑薄民硅质、炭质页岩、深灰页岩、粉砂质页岩，中部为灰色中厚层长石砂岩、细粒岩屑石英岩夹细砂岩及含炭质、粉质页岩、泥岩，上部以灰黑色、黑色薄层页岩、炭质页岩为主，夹粉沙质泥岩及煤层。大隆组主要分布在桃冲、小淮窑。本组厚27。36米。一般以灰黑色薄层硅质页岩为主。本系含煤、磷、锰、黄铁矿、褐铁矿及铀矿。
三迭系下统殷坑组，零星出露于芦南汪家冲、潘冲、马坝龙角冲、铜山、新淮丁唐山等地；和龙山组出露于笆茅山、大尖山、小淮山等地；中统扁担山组，分布于牛岭、桃冲、龙华山、张矶山、三华山、石龙山、周山等地。以石灰石、页岩及灰质白云石为主。上统黄马青组，仅零星出露于钟鸣至孙村至城关一线。其岩性一般为紫色薄至中层粉砂泥岩页岩、细砂岩、夹灰色、棕黄细粒岩屑石英砂岩。本系含赤铁矿、煤、冶金辅助原料及水泥原料。
侏罗系本系中下统象山群，主要由砾岩、砂岩、页岩和煤组成，仅出露于三华山、老山冲一带。厚10米左右。含植物化石碎片。本系上统为火山岩系包括熔岩、火山碎屑岩，其总厚度达2252米左右。分布在本县东南，西至黄浒，南到南陵县桂山。侏罗系晚期，繁昌境内火山活动强烈，地壳上升，已由海陆交替相上升为陆相地层。植物群有苏铁、银杏等裸系植物和真蕨。
白垩系境内缺失下统，仅见上统宣南组出露于平铺燕塘冲至新林蔡家铺一线左右。岩相一般为紫红色含砾页砂岩、粉砂岩、页岩，厚度在200——2000之间。含瓣鳃类、腹足类、介形虫化石。理论有生物化石沉积岩矿产——石膏。
第三系本系境内很少出现，仅见下第三系“痘姆组”出露于平铺杨山与南陵县交界地带。为紫红色砾岩、夹灰黄色砂岩、岩屑石英砂岩、灰白色砾岩。含石膏及介形虫化石。
第四系为地质史最后一系，广布本县，占全境40——50％。其早期称“更新世”(或“洪积世”)包括下、中、上更新统。除下更新统未见外，中更新统分布于望江垄、象山、下甘马冲一带及小磕山、老屋基等地。表现为蠕虫状含碎石粉土质重亚粘土，含粘土岩块、漂砾粘土质砂砾泥砾。上更新统分布于高安慕英冲、新港瓦圩、荻港八里岗等地，一般为粉土质亚砂土、粘土，沿江地带普遍赋有坡积铁矿，如磨山马塘坝、坝塘埂、洪岭冲、小铁山等地。第四系晚期为“全新世”(或“冲积世”)。全新世期地层全新统构成了本县广大的圩区、洲地，如保大圩、保定圩、小洲、永庆圩、庆大圩等地。一般为粉土质亚粘土夹灰、灰黑淤泥及泥炭、细粉砂及砾印石。本系地层厚度0——70米不等，是主要的农作物区。
二、岩浆岩
县境内岩石，除川硅质岩、碳酸盐类沉积岩和少量变质岩外，分布较广的是岩浆岩。
浮山岩体出露于浮山、峨山二乡毗邻地带，呈孤立山峦地表近等轴状，面积约16平方公里。为斑状钾长花岗岩与中粒钾长花岗岩。
“滨江”岩体为燕山晚期第二次侵入岩，位于桃冲以北芦南乡一带。呈北东向分布，西部多被掩盖，出露仅12平方公里。整个岩体约20平方公里，似椭圆形，滨邻长江。为粗中粒花岗岩。芦南“墨玉”是区域变质的结果，本岩体富含稀土矿物、金红石英矿物，偶见铌钽矿物。
毕家岩体属燕山晚期第三次侵入岩，位于芦南笔架桥一带，出露于“滨江”体内部，毕家岩性由花岗岩斑岩变为花斑岩。属第三次侵入岩体露头处，尚有三山附近的老山二长花岗岩体以及马坝张冲垴花岗岩体。
第四次侵入岩主要有；
诸候岭(猪猴岭)岩体位于诸候岭、千军岭一带。近南北向分布。厚度20——60米，为花岗斑岩。同期出露的还有施家冲石英正长斑岩、象形地花岗斑岩等。
脉岩境内露头较少。以闪长玢岩为主的岩脉分布于红花尖一带，以花岗斑岩为主的岩脉分布于板石岭至三山一带。
喷出岩及次火山岩主要分布于中分村东南一带。岩体概略为：1、马仁山岩体：属熔岩类粗面岩及粗面斑岩。呈浅灰、暗紫色，斑状结构。基质主要有钾长石(89％)、石英微粒(5％)副矿物微量。赤沙附近因钙质增高而形成粗面安山岩。2、流纹岩及流纹斑岩：广布于“中分村组”及“蝌蚪山组”。岩石呈灰白色、浅灰色、浅红色、肉红色，灰紫色者较少。主要成分为钾长石和石英微粒(80——90％)，常见次生绢云母绿泥石。3、英安岩及英安玢岩：分布于“赤沙组”，以英安玢岩为主，岩石呈浅灰、灰紫、暗紫色，致密块状，斑状结构。主要由长英质矿物及微粒科长石组成(85——90％)。境内喷出岩分布虽不甚广泛，但其矿化现象显著。境内火山岩属裂隙——中心式喷发类型。南陵蝌蚪山(今笔架山)、本县白马山可能为火山口。次火山岩仅见中分村南西湖山，为次流纹班岩，呈脉岩状南北向展布。岩石呈灰白色，致密块状，斑状结构。主要成分为：长英质88％，绢云母5％，石英、金属矿物等。
三、构造
县北紧靠长江破碎带，又是著名的淮阳山字型构造前弧东翼的组成部分，以北东向构造占主导地位。不同时期，级别、形态的褶皱、断层颇多，构造形迹复杂。
【褶皱构造】铜陵至繁昌复向斜属印支期褶皱，总长70公里，宽30公里。北东段展布本县，自北西向南东，包括7个Ⅱ级褶皱组成：
“滨江”复式向斜紧邻长江南岸，轴向70°，出露长约10公里，核部为“滨江”岩体侵吞。
寨山背斜位于“滨江”复式向斜之南，轴向近东西，长12公里。坟头群为核，两翼为茅山群至殷坑组，倾角50°至60°，南翼正常倾向南，倾角45°。翼部伴生纵向逆断层，横向正断层垂直褶轴也较发育，倾端附近铁矿较多。
桃冲向斜毗邻寨山背斜之南，西起荻港，经桃冲往东被第四系覆盖，出露长约12公里。核为扁担山组下段，翼为栖霞组至和龙山组。近核部遭断层破坏。
红花山背斜位于桃冲向斜之南，貌似菱形，轴呈弧状走向近东西，两端向北翘。全长约16公里，长宽比8：1。核为坟头群，翼为茅山群至和龙山组。
繁昌复式向斜紧挨红花山背斜之南东，长约43公里，南西段为上侏罗统复盖；中段或为黄马青组覆盖，或为浮山岩体占据，北东段多为第四系掩盖，露头零星。
板石岭背斜位于繁昌复式向斜的南东，核部为板石岭岩体吞没，北东倾伏端附近尚保留栖霞组至扁担山组。背斜南西部被上侏罗统复盖。过北东倾伏端又为诸候岭岩体占据。全长约14公里。
湾子店向斜出露于板石岭背斜之东，轴向30°至35°，长约12公里，其间被茶冲断层错开，北段仅残留核部扁担山组，翼部或被第四系掩盖，或为断层破坏。南段保存尚好，两翼为栖霞组至和龙山组，均向南东东倾斜。
中分村复向斜属燕山中期褶皱，迭复在铜陵至繁昌复向斜中，由上侏罗统组成，走向45°，褶轴呈“s”形弯曲，长20公里。
【断裂构造】多期构造运动形成了断裂纵横发育的网状格局，主要展布于本县西北和东南丘陵山区。
张村逆断层位于寨山背斜北翼，与褶曲轴平行，走向近东西，长9公里。断层附近石英砂石破碎或石英重结晶，赋存铁矿。
沈山头逆断层位于红花山背斜北翼，走向东西，长90公里，断裂带宽15米，沿断层连续分布铁矿。
楼屋基正断层位于寨山背斜中段，长3公里，地层断距200米，断层角砾岩及褐铁矿充填。
桥上正断层位于寨山背斜东段，长4公里，断层南东段龙潭组煤层地层断距1000米。
浮山平移逆断层位于浮山岩体西侧，长2。5公里。
中分村平移断层斜切中分村背斜的北东段，长6。6公里，沿断层形成硅化破碎带，宽达100米。