齊雲山的地質構造、地貌特徵、地質遺跡非常獨特。有些地方形成丘陵，有些地方形成嶺、台、峰，有些地方形成崖、壁、谷、洞。白堊系地層既是形成齊雲山丹霞地貌的母體，也是恐龍化石的賦存層位。齊雲山是經過漫長的地質年代形成的，有着豐富的地殼運動遺跡。地層為白堊系湖相沉積岩層。構造典型，絕壁斷崖，形態奇特，洞穴發育，不僅有平頂方山、狹窄石牆，而且有突兀石柱、幽深巷谷。其岩性為紅色砂岩、砂礫岩，層序清晰、構造明顯。
紅色山體
齊雲山丹霞地貌的岩層是一種內陸盆地沉積的紅色屑岩。因地殼抬升，岩石被流水切割侵蝕，山坡以崩塌過程為主而後退，保留下來的岩層構成了紅色山體。這種「紅色山體」，就是在中生代侏羅紀至新生代第三紀沉積而形成的紅色岩系，地質上稱為「丹霞」，即「紅色砂礫岩」。丹霞地貌最突出的特點是「赤壁丹紅」廣泛發育，形成頂平、身陡、麓緩的方山、石牆、石峰、石柱等奇險的地貌形態。各異的山體石塊形成一種觀賞價值很高的風景地貌，可以說是名副其實的「紅石公園」。齊雲山彷彿是用千萬塊紅瑪瑙鑲嵌成的一座「紅珊瑚」。崖是紅的，嶺是紅的，洞是紅的。崖染丹霞，層層疊疊，色彩明豔，神韻飄逸。明代文學家袁宏道在《雲岩》中就淋漓盡致地說出了齊雲山丹霞地貌的顯著特徵：「幽崖鬼斧窮」、「山山瑪瑙紅」。齊雲山形態特異的丹霞地貌景觀，是中國南方紅色岩系發育的一種特殊地貌，在中國丹霞地貌景觀中獨樹一幟。中國國土資源部在《走進國家地質公園》中對齊雲山評價道：「齊雲山屬峰叢式丹霞地貌，集奇、險、秀、美於一身，區內奇峰崢嶸，怪石嶙峋，丹霞赤壁危立，垂巒疊嶂，千姿百態」。著名丹霞地貌專家黃進先生也指出：「齊雲山屬典型的丹霞地貌，類型齊全，地層層理清楚，產狀近於平行，山體多級階梯狀，枱面清晰」。
奇特山峰
齊雲山的山峰，形式奇特，它們都是一些體積較小的豎立的岩層，顯得十分秀麗。由於地表沿垂直節理裂隙向下滲流，逐漸形成凹溝，把嶺切割成波狀起伏的形態。如雲岩湖畔的「燈籠峰」，猶如懸掛在崖頂的一排巨大的紅燈籠。如果方向不同的幾股流水同時侵蝕，切割加深，形似刀砍斧劈，山體上部切割成峰，而下部仍連結一體，如婷婷玉立的「三姑峰」，跚跚龍鍾的「五老峰」等。如果水流再進一步侵蝕切割，將下部的連結山體最後分割開來，則形成孤立無群的「獨聳峰」、鶴立雞群的「拇指峰」、昂首匍伏的「青獅峰」、撫雲摩天的「最高峰」、秀麗挺拔的「香爐峰」和頂天立地的「天柱峰」等。
怪狀岩石
齊雲山隨處可見形式各異的岩石，多為山體崩落所致。各岩石由於硬軟相間，又通過風化侵蝕，往往形成奇形怪狀的岩塊，如煉丹峰上的虎頭岩、白嶽峰下的金雞石、仙人掛畫前的蓮花石和太極陰陽石、最高峰下的中立岩等，形態奇特，象形度高，維妙維肖。
獨特岩洞
齊雲山岩洞在重力作用和流水侵蝕作用下崩落形成的負坡，在溶蝕作用下，紅層崖壁上還出現了形態各異的岩洞地貌。這些岩洞大都產生在含鈣質的細砂岩層中，大體沿平行岩層面方向延伸，其上下全是堅固的礫岩。由於多為鈣質膠結，在高溫多雨的條件下，溶蝕作用比較強烈，因而發育成許多大小懸殊、深淺不等的岩洞。如羅漢洞、八仙洞、小壺天石室、白雲岩洞、紫霄崖洞、方臘洞等。裸露在崖壁外發育的垂直節理，崖上的地表水和沖刷崖面的雨水，沿崖壁的節理向下滲流，對崖層不斷的溶蝕。起初形成溜線，逐漸擴大演變為溶溝，多平行排列地直立分布在岩壁上，如齊雲山景區獨有、中華大地自然風光一絕的石橋岩、象鼻岩，正是地殼運動所形成的崖壁裂隙，加之重力作用導致崩塌，再經流水反復作用，終於造就了這一奇特景觀。
恐龍化石
恐龍死後，身體中的軟組織因腐爛而消失，骨骼（包括牙齒）等硬體組織沉積在泥沙中，處於隔絕氧氣的環境下，經過幾千萬年甚至上億年的沉積作用，骨骼完全礦物化而得以保存。此外恐龍生活時的遺跡，如腳印等也可以石化成化石保存下來。齊雲山地區白堊紀地層中，富含古生物化石，尤其是二十世紀末以來相繼發現恐龍足跡、恐龍蛋化石、恐龍尾跡化石。三位一體的恐龍化石群在一個以丹霞地貌為特徵的國家地質公園同時展現，實屬罕見。
