三明市境域地層結構發育完整，自下元古界至新生界共有12個系，37個地層單元包括變質巖、侵入巖、火山巖、沉積巖四大巖類。最古老的巖石層分佈於建寧一帶的晚太古代天井坪組，是華夏古陸核的組成部分，代表福建省最古老的巖石層。
由於三明地跨福建三大構造單元，地質結構上存在四條斷裂帶：沙縣—南日島北西向斷裂帶，途經泰寧、將樂、沙縣、尤溪等地；永安—晉江北西向斷裂帶，途經明溪、永安、大田等地；邵武—河源北東向斷裂帶，途經泰寧、建寧、寧化等地；政和—海豐北東向斷裂帶，貫穿尤溪、大田、永安、沙縣及三明城區。
三明境內以中低山及丘陵為主，北西部為武夷山脈，中部為玳瑁山脈，東南角依傍戴雲山脈。峯巒聳峙，低丘起伏，溪流密佈，河谷與盆地錯落其間，全境地勢總體上西南部高，北東部低，海拔最高1858米，最低50米。
