泰山是山东丘陵中最高大的山脉,地层为华北地台典型基底和盖层结构区,南部上升幅度大,盖层被风化掉了,露出大片基底——泰山杂岩,即太古界泰山群地层,其绝对年龄25亿年左右,是中国最古老的地层之一。北部上升幅度小,盖层保存着典型的华北地台上发育的古生代地层。泰山地貌分为冲洪积台地、剥蚀堆积丘陵、构造剥蚀低山和侵蚀构造中低山四大类型,在空间形象上,由低而高,造成层峦叠峰、凌空高耸的巍峨之势,形成多种地形群体组合的地貌景观。
泰山上下的气候呈垂直变化的特征十分明显。山脚1月均温—3℃,山顶为—9℃,山下7月均温26℃,山顶为18℃;年降水量随高度而增加,山顶年降水量1132毫米,山下只有722.6毫米。山下四季分明,山顶三季如春,冬如玉,即冬有雾凇晶莹如玉,为重要景观之一。春季风沙较大。泰山冬季较长,结冰期达150天,极顶最低气温-27.5°C,形成雾凇雨凇奇观。