泰山是山東丘陵中最高大的山脈，地層為華北地臺典型基底和蓋層結構區，南部上升幅度大，蓋層被風化掉了，露出大片基底——泰山雜巖，即太古界泰山群地層，其絕對年齡25億年左右，是中國最古老的地層之一。北部上升幅度小，蓋層保存著典型的華北地臺上發育的古生代地層。泰山地貌分為沖洪積臺地、剝蝕堆積丘陵、構造剝蝕低山和侵蝕構造中低山四大類型，在空間形象上，由低而高，造成層巒疊峰、凌空高聳的巍峨之勢，形成多種地形群體組合的地貌景觀。
泰山上下的氣候呈垂直變化的特征十分明顯。山腳1月均溫—3℃，山頂為—9℃，山下7月均溫26℃，山頂為18℃；年降水量隨高度而增加，山頂年降水量1132毫米，山下只有722.6毫米。山下四季分明，山頂三季如春，冬如玉，即冬有霧凇晶瑩如玉，為重要景觀之一。春季風沙較大。泰山冬季較長，結冰期達150天，極頂最低氣溫-27.5°C，形成霧凇雨凇奇觀。