齐云山的地质构造、地貌特征、地质遗迹非常独特。有些地方形成丘陵，有些地方形成岭、台、峰，有些地方形成崖、壁、谷、洞。白垩系地层既是形成齐云山丹霞地貌的母体，也是恐龙化石的赋存层位。齐云山是经过漫长的地质年代形成的，有着丰富的地壳运动遗迹。地层为白垩系湖相沉积岩层。构造典型，绝壁断崖，形态奇特，洞穴发育，不仅有平顶方山、狭窄石墙，而且有突兀石柱、幽深巷谷。其岩性为红色砂岩、砂砾岩，层序清晰、构造明显。

红色山体

齐云山丹霞地貌的岩层是一种内陆盆地沉积的红色屑岩。因地壳抬升，岩石被流水切割侵蚀，山坡以崩塌过程为主而后退，保留下来的岩层构成了红色山体。这种“红色山体”，就是在中生代侏罗纪至新生代第三纪沉积而形成的红色岩系，地质上称为“丹霞”，即“红色砂砾岩”。丹霞地貌最突出的特点是“赤壁丹红”广泛发育，形成顶平、身陡、麓缓的方山、石墙、石峰、石柱等奇险的地貌形态。各异的山体石块形成一种观赏价值很高的风景地貌，可以说是名副其实的“红石公园”。齐云山仿佛是用千万块红玛瑙镶嵌成的一座“红珊瑚”。崖是红的，岭是红的，洞是红的。崖染丹霞，层层叠叠，色彩明艳，神韵飘逸。明代文学家袁宏道在《云岩》中就淋漓尽致地说出了齐云山丹霞地貌的显著特征：“幽崖鬼斧穷”、“山山玛瑙红”。齐云山形态特异的丹霞地貌景观，是中国南方红色岩系发育的一种特殊地貌，在中国丹霞地貌景观中独树一帜。中国国土资源部在《走进国家地质公园》中对齐云山评价道：“齐云山属峰丛式丹霞地貌，集奇、险、秀、美于一身，区内奇峰峥嵘，怪石嶙峋，丹霞赤壁危立，垂峦叠嶂，千姿百态”。著名丹霞地貌专家黄进先生也指出：“齐云山属典型的丹霞地貌，类型齐全，地层层理清楚，产状近于平行，山体多级阶梯状，台面清晰”。

奇特山峰

齐云山的山峰，形式奇特，它们都是一些体积较小的竖立的岩层，显得十分秀丽。由于地表沿垂直节理裂隙向下渗流，逐渐形成凹沟，把岭切割成波状起伏的形态。如云岩湖畔的“灯笼峰”，犹如悬挂在崖顶的一排巨大的红灯笼。如果方向不同的几股流水同时侵蚀，切割加深，形似刀砍斧劈，山体上部切割成峰，而下部仍连结一体，如婷婷玉立的“三姑峰”，跚跚龙钟的“五老峰”等。如果水流再进一步侵蚀切割，将下部的连结山体最后分割开来，则形成孤立无群的“独耸峰”、鹤立鸡群的“拇指峰”、昂首匍伏的“青狮峰”、抚云摩天的“最高峰”、秀丽挺拔的“香炉峰”和顶天立地的“天柱峰”等。

怪状岩石

齐云山随处可见形式各异的岩石，多为山体崩落所致。各岩石由于硬软相间，又通过风化侵蚀，往往形成奇形怪状的岩块，如炼丹峰上的虎头岩、白岳峰下的金鸡石、仙人挂画前的莲花石和太极阴阳石、最高峰下的中立岩等，形态奇特，象形度高，维妙维肖。

独特岩洞

齐云山岩洞在重力作用和流水侵蚀作用下崩落形成的负坡，在溶蚀作用下，红层崖壁上还出现了形态各异的岩洞地貌。这些岩洞大都产生在含钙质的细砂岩层中，大体沿平行岩层面方向延伸，其上下全是坚固的砾岩。由于多为钙质胶结，在高温多雨的条件下，溶蚀作用比较强烈，因而发育成许多大小悬殊、深浅不等的岩洞。如罗汉洞、八仙洞、小壶天石室、白云岩洞、紫霄崖洞、方腊洞等。裸露在崖壁外发育的垂直节理，崖上的地表水和冲刷崖面的雨水，沿崖壁的节理向下渗流，对崖层不断的溶蚀。起初形成溜线，逐渐扩大演变为溶沟，多平行排列地直立分布在岩壁上，如齐云山景区独有、中华大地自然风光一绝的石桥岩、象鼻岩，正是地壳运动所形成的崖壁裂隙，加之重力作用导致崩塌，再经流水反复作用，终于造就了这一奇特景观。

恐龙化石

恐龙死后，身体中的软组织因腐烂而消失，骨骼（包括牙齿）等硬体组织沉积在泥沙中，处于隔绝氧气的环境下，经过几千万年甚至上亿年的沉积作用，骨骼完全矿物化而得以保存。此外恐龙生活时的遗迹，如脚印等也可以石化成化石保存下来。齐云山地区白垩纪地层中，富含古生物化石，尤其是二十世纪末以来相继发现恐龙足迹、恐龙蛋化石、恐龙尾迹化石。三位一体的恐龙化石群在一个以丹霞地貌为特征的国家地质公园同时展现，实属罕见。