本县在大地构造上属下扬子台坳的沿江拱断褶带，长期以来受下降运动控制，沉积了寒武系至中三迭统，厚逾万米的滨海或浅海相沉积。印支运动后抬升成陆，但仍受断陷作用制约，接受陆相红层堆积。印支期、燕山期，不仅发育了北东向褶皱和断层构造，而且发生多次岩浆活动，形成了侵入岩体和喷出岩。经过长期地质内、外营力的作用和数度沧桑巨变，形成目前南陵地貌景观和山川大势。
一、地层
寒武系绝对年龄6～5亿年，仅小面积出露于县内南部烟墩乡境内，主要为黑色炭质页岩，中夹石煤层，厚度超过175米，呈北东向延伸，顺层面含磷质结核。
奥陶系绝对年龄5～4.4亿年，分布县境南部三里镇、烟墩乡一带，以白云质灰岩、白云岩为主，厚度大于221米。
志留系绝对年龄4.4～4亿年，在戴镇乡、烟墩乡均有出露，以泥岩、页岩、粉砂质岩和粉砂岩为主，中含多种笔石、丁氏始石燕、王冠虫等化石，厚度1125米，该层位在戴家汇，夹两层厚10～20厘米的黑褐色含胶磷矿细砾岩。
泥盆系绝对年龄4～3.5亿年，出露于戴镇乡、绿岭乡、丫山镇一带，以石英岩、石英砂岩为主，夹粉砂岩、泥质粉砂岩，各地厚度为77～208米、135米不等，呈北东向展布。于戴家汇采到鱼化石。
石炭系绝对年龄3.5～2.8亿年，分布三里镇、绿岭乡境内，以灰岩、页岩、石英砂岩、砂质页岩为主，厚300米左右，灰岩中含蜓科化石，中夹鲕状菱铁矿，呈透镜状，最厚45米。
二迭系绝对年龄2.8～2.3亿年，主要分布绿岭乡、麻桥乡和丫山镇一带，以灰岩、炭质页岩、石英砂岩为主，中夹煤层，含植物化石，厚度21～239米。
三迭系绝对年龄2.3～1.95亿年，出露于丫山镇南陵湖、西山等地，面积较广，以灰岩、页岩、砂岩为主，厚度337米以上，灰岩中含菊石等化石。
侏罗系绝对年龄1.95～1.4亿年，分布麻桥、桂山2乡境内，以流纹岩、安山岩、英安岩、粗面岩、凝灰质粉砂岩、钙质粉砂岩和粉砂质泥岩为主，最厚可达1317米，与下伏岩层呈不整合接触。火山熔岩放射性强度很高，是找铀矿的有利层位。
白垩系绝对年龄1.4～0.7亿年，广泛出露于烟墩铺、三里、峨岭、五里等地，主要包括红色砾岩、砂岩、粉砂岩、含砾凝灰质砂岩、安山质凝灰岩及层火山角砾岩等，厚度2216米以上，在粉砂岩内曾发现恐龙蛋化石。
第三系绝对年龄0.7亿～250万年，分布于盛桥、工山、峨岭、麻桥等地，由砾岩、砂砾岩、粉砂岩、泥岩等组成，厚度达1171米以上，中含石膏矿。
第四系绝对年龄250万年以来，主要分布于县内沿河、沿湖地区。其中以河流堆积、湖泊堆积为主，有砾石层、砂砾层、砂层和网纹红土、黄色亚粘土等。
二、岩浆岩
板石岭岩体，绝对年龄1.36亿年，岩体有两个相带：内部相中细粒石英正长岩、石英二长岩；边缘相细粒含石英正长岩、斑状含石英正长岩。出露面积15平方公里，系燕山中期侵入而成，呈岩株状产出。围岩发生大理岩化、矽卡岩化和硅化。
小工山岩体，绝对年龄1.48亿年，为石英闪长玢岩岩体，面积4.6平方公里，系燕山中期侵入而成，呈岩株产出。围岩发生大理岩化、矽卡岩化、硅化、角岩化等，中含矽卡岩型铜矿和铁矿。
戴家汇岩体，为花岗闪长斑岩岩体，面积约0.4平方公里，系燕山晚期侵入而成，呈岩枝产出。围岩蚀变为大理岩化、矽卡岩化、角岩化，中含矽卡岩型铜矿。
凤凰山岩体，绝对年龄1.31亿年，由花岗闪长岩 和石英闪长岩为主组成的岩体，可分两个相带：中央花岗闪长岩相，边缘石英闪长岩相。系燕山中期侵入而成。岩体钾质交待作用明显，主要有钾长石化与绢云母化。从岩体微量元素分析，含铜量较高，多铜矿矿化点，产于岩体与中三迭统灰岩接触带的矽卡岩中。
顾家村岩体，以花岗闪长斑岩为主，出露面积0.1平方公里以下，呈岩枝产出，围岩蚀变为硅化。
三、构造
褶皱构造铜陵—繁昌复向斜，系印支褶皱，位于南陵城关—丫山一线西北，共包括10个Ⅱ级褶皱，位于县境或从边缘地区通过的有：
板石岭背斜，全长14公里，北东向延伸，两翼不对称，东南翼陡，倾角50°～60°，西北翼缓，倾角35°～40°，核部由栖霞组、龙潭组构成，翼部为扁担山组组成，为后期横断层的切割错位，背斜保存极差。
湾子店向斜，全长12公里，向斜轴向30°～35°，北段仅残存核部，由扁担山组组成，两翼已为断层破坏或河流切割；南段保存尚好，两翼为栖霞组、龙山组，核部为扁担山组。
凤凰山复式向斜，全长14公里，西南段轴向45°，北东段轴向转为60°，核部开阔，宽约3公里，由扁担山组组成，多铜矿点。两翼由茅山群至上二迭统组成，均向南东倾斜，东南翼倾角36°～50°，西北翼倾角62°～70°，总体为一倒转复式向斜。丫山背斜，全长24公里，轴向40°～60°，核部较窄，宽0.7～1.0公里，由高家边组组成，两翼由坟头群、龙山组、龙潭组、扁担山组等组成。以叶家湖断层为界，分西南段与东北段，前者两翼不对称，西北翼陡50°～70°，东南翼缓40°～50°，轴面倾向东南；后者，两翼都倾向东南，为倒转背斜。
黄柏岭复背斜，系印支期褶皱，构成复背斜的主体是北贡背斜和孤峰向斜等，出露在本县西南烟墩乡、三里镇与青阳、泾县交界处。北贡背斜，轴向55°，核宽3.5公里，由黄柏岭组下段组成，两翼不对称，西北翼缓10°～25°，东南翼陡30°～40°，由杨柳岗组至高家边组组成。
孤峰向斜，轴向70°～75°，全长17公里，核部由扁担山组组成，两翼为上古生界。总体西北缓，东南陡的斜歪向斜。
中分村复向斜，系燕山中期褶皱，全长20公里，走向45°，褶轴呈“S”形弯曲。由铁牛山向斜、中分村背斜、蝌蚪山(今名笔架山)向斜等构成复向斜主体。
宣南坳陷，系燕山晚期坳陷，为上白垩统“宣南组”充填的坳陷，厚达7000余米 。呈东西向和北东向延伸，主要受北东向构造控制，并向东北方开口，地层倾角5°～15°，据沉积物分布特征，坳陷中心，由西南向东北方向迁移。
南陵盆地，系喜山早期盆地，全长大于50公里，宽14公里，长轴为北东向，呈两头不等的豆荚状。盆缘地层倾角10°～15°，盆地西北缘毗邻古陆。
断裂构造南陵—黄池断裂，是丹阳—丁家桥断裂的一段，走向北东45°～52°。它是宣城—南陵红层盆地的西部边界。
芜湖—戴家汇断裂，走向20°，麻桥至戴家汇为密集破碎带。
木镇—周王断裂，这条东西断裂通过烟墩、三里一带。属走向断层类型，并呈现新地层向老地层逆冲。它与晚白垩纪红色盆地的南缘相吻合，也是地貌重要分界线。
青弋江断裂，南起泾县晏公堂，经赤滩镇，沿青弋江延伸，至本县境内。断裂带十分平直，断面西倾，为高角度正断层。
四、地史
本县在中三迭世前漫长的地质时期，基本上处于海洋环境，又以浅海和海滨为主，故沉积了厚逾万米的沉积岩，都呈整合接触，说明从寒武纪至中三迭世没有受到强烈构造运动干扰，仅受轻度振荡运动的影响。中、晚三迭世，地质上曾发生印支构造运动，本县及邻近地区受其剧烈影响，形成了一系列褶皱和断裂，地表也随之隆起成为陆域。中生代末期中国东部，尤其长江下游和东南沿海，又发生以断裂和岩浆活动称著的燕山运动，它在本县境内表现明显，县境内的断裂构造和岩体的发育，都与这次运动有关，同时也发生了岩浆喷发作用，在南陵、繁昌、铜陵3县交界处，火山岩系总厚度达2252米，分别称“蝌蚪山组”、“中分村组”、“赤沙组”。蝌蚪山(今名笔架山)是当时火山喷发的主要通道。
新生代早期本县发生明显的坳陷作用，叠置在中生代晚期宣南坳陷之上，其延伸方向清晰，呈北北东或北东向，盆地封闭较好，南缘止于北纬30°55′。
第三纪末期以来的新构造运动，继承了老构造运动的特点，发生差异性升降运动，东北部下降明显，地貌上表现为河湖平原，西部与铜陵县交界受断块抬升较强，成为低山、丘陵地貌组合，本县中部广大地区以轻度隆起为主，除沿河分布狭长的平原外，大部为丘陵和台地，经流水切割，有的地面显得比较破碎，也具一定起伏。总之，本县经过多次沧桑演变，在内、外综合作用下，形成了今日的山川大势和地貌格局。