山体组成天柱山属大别山东延的一个组成部分。山体主要由万山（地质界惯用的天柱山的俗称）岩体组成，位于岳西、潜山两县接壤地界一带。呈北北西向展布，切割公界尖背斜，被菖蒲——响肠和水吼岭——陈岭头火断层的夹、地表层不规则岩基出露面积120平方公里，与围岩的接触带多数被掩盖。接触带附近岩
体的岩面粒度变细，围岩发生硅化。岩体的东、西、南三侧沿接触带，均明显可见长石交代作用构成的所谓“边缘混合岩”，其宽度数十米至数百米不等。岩体内含有少量的细粒斜长角闪片麻岩残留体，边部可见烘烤现象。岩体西边的白马潭一带，可见到其内有围岩的残留
成份。岩体的长石斑岩和石英正长斑岩脉发育，主要呈北东向斜列排列。其次还见有闪长斑岩、细品岩脉等。
万山岩体相带发育不对称，内部相由中粒、中细粒结构混合花岗岩，混合二长花岗岩构成，占岩体的90%以上。边缘为细粒结构的岩石，往往缺尖，一般宽为数米至数十米。在白马潭、思婆尖两侧较宽。
万山岩体主要岩石的岩性特征可以分为两部分：
中细粒混合花岗岩：多呈灰白色花岗变晶结构，矿物颗粒为1～3毫米，钾长石占40%，更长石占20～25％，石英占25～35％，黑云母占3～5％，及少量磁铁砂、屑石、磷灰石等副矿物组成。
中细粒混合二长花岗岩：与上述混合花岗岩差别在斜长石含量可达25～30％，只有部分中长石出现，钾长石降到30～40％，角闪石可达10～15％。这种岩石集中分布在万山岩体西北部的鸡笼尖、玄风寨、罗思尖一带，出露面积约10平方公里。
万山岩体相带不发育，缺边缘相，含有或多或少的残留体，有时还呈一定方向排列；同时岩体中交代现象明显，在与围岩接触带未见变质现象，反而常见到有较低级混合岩构成的“边缘带混合岩”等。这些现象与一般侵入型岩体特征不同。它反映出混合花岗岩体所具有的各种标志和特征。这说明在本区早期区域性混合岩化作用，不仅交代作用进行得十分普遍和频繁，而且物质重熔也广泛进行着，往往达到再生岩浆的状态，以致产生了接近酸性斜长石——钾长石——石英三者低熔共结构的岩石成分，就地固化成为“混合花岗岩”。所以，有人认为，万山岩体是重熔生成的再生岩浆受动力影响而有所移动的“交代侵入体”，它表现了一定的岩浆花岗特征，相当于“半原地”或“准原地”的花岗岩。
万山岩体的围岩是下元古界大别山群变质岩系，而交代成因的混合花岗岩体的时代，一般不会比被交代的整个岩系的变质时代晚得太多。从岩体、变质岩、混合岩三位一体的概念出发，万山岩体生成时代属五台——吕梁时期第二次岩体较为合适。
万山岩体周围地层有前震旦系大别山群(未分层)和分层的水竹河组、文家岭组上段、刘坂组和桥岭组构成。(附图)
大别山群(未分层)AnZab，主要分布在本区万山岩体的北部和西北部，系由一套深变质的片麻岩系组成，具有强烈的混合岩化。主要岩性由黑云母斜长片麻岩、大理岩、斜长片麻岩、二长片麻岩及变粒岩、角闪岩、角闪斜长片麻岩和球状、条带状混合岩所组成，岩性和薄层相间的韵律构造清晰。总厚度约为2万米。
水竹河组AnZs：主要分布在万山岩体的北部一带。本组下部为黑灰色中薄层细粒黑云角闪斜长片麻岩、黑云(角闪)斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩。含角闪黑云斜长片麻岩、夹粉黄、灰黄中薄层(中厚层)中——粗粒二长片麻岩、含黑云浅粒岩、浅粒岩(中细粒)、含角闪黑云浅粒岩。上述岩石常相间出现，并有颜色、颗粒粗细构成清楚韵律。中央4～5层数十厘米的大理石，常见者有灰白色硅化大理岩、粉色中粒大理岩。大理岩以层状为主，局部呈透晶体，风化后呈蜂窝状和疙瘩状。此层碳酸盐岩系层位较稳定，具有标志层性质。
中部：为灰黄、灰褐色中厚层部分的薄层状二长片麻岩、含黑云角闪浅粒岩及黑云斜长片麻岩，为一套较单一的浅色长英粒状岩系。除黑云母、角闪石暗色矿物外，还有呈八面体的磁铁矿，含量少于5％。局部岩石中，含有粉红色石榴子石少许，厚约138～443米。
上部：为灰黑、灰褐中薄——薄中层细粒黑云(角闪)斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、浅粒岩、二长片麻岩。岩石浅、暗相间具韵律构造。单层厚约5～20厘米。由于常见10余米至数十米的浅粒岩与2～3层厚的斜长角闪岩夹层，而表现出大段互层特征，部分地段还见有交错层理，厚约506—1272米。
文家岭组上段AnZul：面积不大，主要分布在本区北部。
下部：灰黑、灰黄、灰白色中薄层中细粒黑云斜长片麻岩，角闪黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩夹浅粒岩、角闪二长片麻岩，呈暗、浅相间韵律。底部见10余米碳酸盐岩系。
中部：粉黄色中——厚层、部分为中薄层粗粒含黑云母角闪二长片麻岩、二长片麻岩，角闪斜长片麻岩、中粒浅粒岩、浅色岩与角闪斜长片麻岩互层，厚数十米。
上部：灰黑、灰褐色薄层中——细粒黑云(角闪)斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩及较发育的碳酸盐岩系夹二长片麻岩、浅粒岩、黑云二长片麻岩及斜长角闪岩。其中并夹10厘米～2米厚的大理岩3～4层和数米的石墨片岩、石墨斜长角闪岩、含石墨5～8％。
刘坂组AnZe：本组主要在本区的白马潭、水吼岭和青龙岗一带。岩性为灰黄、褐黄色中厚层、中细粒、中粒二片长麻岩、含黑云(角闪)二长片麻岩，及中—一细粗浅粒岩，含磁铁矿浅粒岩等浅色长英粒状岩系。局部见数十至百余米的碳酸盐岩系和由斜长角闪岩、黑云(角闪)斜长片麻岩组成的暗色岩系。厚约988～1385米。本组层理清晰，层面平整，带状互层明显。
桥岭组AnZq：主要分布在本区万山岩体东部陈岭头一带。岩性以及各种斜长片麻岩为主，间夹浅粒岩、二长片麻岩、斜长角闪岩、大理岩、榴辉岩、榴闪岩等。是区内岩石种类最繁多、最复杂、韵律最发育的地层之一。局部可见到受弱混合岩化影响。厚度2441～5295米。
下部：灰白、灰褐色薄层、中——薄层中细粒黑云斜长片麻岩、二云斜长片麻岩、浅粒岩、黑云二长片麻岩、夹少量薄层斜长角闪岩、白云榴辉岩。岩层浅暗相间韵律发育。单层厚度一般只在数厘米～30厘米。近底部出现含大理石的暗色岩系和碳酸盐岩系。
中部：为粉黄、褐黄色中厚层、中粗粒黑云磁铁矿二长片麻岩、厚层中细粒含磁铁矿浅粒岩。
上部：为灰褐色、灰白色中厚层中细粒黑云(二云)斜长片麻岩、含黑云石英片麻层、白云斜长片麻岩及黄褐色中厚层、薄层中细粒浅粒岩、磁铁矿浅粒岩、夹长石角闪岩、角闪斜长片麻岩、榴辉岩。顶部暗色岩层增多，出现含方解石黑云斜长片麻岩。风化表面具孔洞构造。
地质构造天柱山地质构造十分复杂。特别是中生代的地壳运动，对本区有着深刻的影响，经历了一场颇为强烈的脆性变形，形成本区广泛发育的北东向、北北东向和南北向的断裂。区内已知规模较大的断裂构造有菖蒲——响肠断裂；水吼——陈岭头断裂和庙湾断层、万山断层、392断层等。
菖蒲——响肠断裂层：分布在万山岩体的西北侧响肠一带，从南西至北东经菖蒲、响肠、黄柏。断层走向北东60～70度，全长可达80公里。本区位于其南西段。断层面倾向东南；倾角60～70度。断层面呈扭曲状，两侧均为前震旦系地层分布，沿断层线表现为平直深切河谷的地貌特征。动力变质强烈，普遍发育宽百米以上破裂岩、糜棱岩。断层滑动面极为发育，并有绿泥石化和硅化薄膜，它走北东延伸斜切了水吼岭——龙井关断层，切过大部分地质体。但与北北东向的断层和岩脉表现为互切。两盘相对位移北西盘向南西错移，性质为逆平移断层(属切扭性结构面)。本断层和矿产关系密切，具明显的控矿作用。与之有关的矿产资源有；白云母、石、铜、锌、钼等。这些矿化均以次一级北东向剪节为其赋存场所。
水吼岭——陈岭头(至龙井关)断层：分布于本区东南侧。断层走向北东45°～50°，断面倾向北西，倾角为60°～70°。沿断层线地貌上表现为直立深谷，断层两侧均为前震旦系的变质岩系。在水吼岭与陈岭之间，断层切过万山岩体，沿断线岩层破碎，糜棱岩发育，并剧烈蚀变。绿泥石化、绿帘石化、钾长石化、硅化等，形成了百余米宽的硅化糜棱岩带。细晶岩脉、石英正长斑岩脉等脉岩沿断层两侧平行发育。断层错移了前震旦系的五台——吕梁期岩体。上盘相对向南西斜冲，为逆平移断层(属压扭行结构面)。整个断层自东北向西南减弱。
此两断层之间，尚有规模较小的次一级断层与其平衡和斜交。区内这些北东向和北北东向的断层构造，以及北东向和南北向的节理构造，对本区地质基础的形成和发育有着重要的控制作用。
山体演化天柱山山体形成演变的历史过程，可以追溯到距今26亿年前的太古代时期。当时天柱山地区和整个大别山区一样，在晚太古为海洋优地槽发育时期。在地槽下降过程中，本区堆积了巨厚的复理式建造(早期伴有超基性、基性岩，晚期伴有中酸性火山岩)的大别山群前身。
在距今20亿年晚太古代末期的大别运动，使本地区海洋优地槽普遍发生褶皱隆起，形成丁优地脊斜山岭。由于地槽沉积物遭受区域变质及其伴生花岗岩质岩浆侵入的造山变形，造成大别山群发生中——深程度的区域变质作用和混合岩化、陆壳改造型混合花岗岩的形成，构成本区孤岛状的变质地体——即包括本区在内的淮阳隆起。五台——吕梁地壳运动(大别运动)形成紧闭的、线型的复式褶皱经后期至今1亿4千万年发生的燕山运动，普遍发育了北东向、北北东向和南北向的断裂活动，使褶皱受到干扰破坏而复杂化，并长期一直处于不同程度的上升隆起和遭受风化剥蚀的过程。直至距今200万年的第四纪晚期(喜马拉雅期)即早更新世，本区急剧上升，高达1000米以上。在上升地区形成河流侵蚀地貌，尤其是在上升急剧的山区，由于长期的风化剥蚀，从而形成了今日的天柱山雄伟奇特的自然景观。
附：天柱山地质构造图