嵩山在不到20平方公里内清晰地保存着发生在距今23亿年、18亿年和5.7亿年的三次构造运动的遗迹，其不整合接触面清晰，变质变形遗迹多姿多彩。在400平方公里内，连续完整地出露着太古宙、远古宙、古生代、中生代和新生代的岩浆岩、变质岩和沉积岩。五个时期的地质现象在嵩山表露齐全，地质学上称之为世界上罕见的“五代同堂”。马杏垣教授的“重力滑动构造”理论，创立于嵩山，各种滑动遗迹在嵩山都有典型系统的显示。嵩山以其丰富的地质内涵受到世人青睐。观看嵩山五代地质，犹如翻阅一部地质史。嵩山地区的岩浆岩、沉积岩、变质岩的出露，构成了我国最古老的岩象——“登封群”的“登封朵岩”。
嵩山的山体岩石复杂繁多，主要是石英岩岩层。经地质学家研究，嵩山的基底岩石形成于地球发展的早期阶段，它们可能是那时候大量火山、岩浆活动的产物。这些岩石形成时，地球表面空气中氧气含量很少，可能同许多行星体的表面情况差不多，不适于生物生存。迄今为止，还没发现它们之中保存有当时任何生物的遗迹。
大约距今23亿年前，嵩山地壳发生了一次剧烈运动，地质学家们管这次运动叫“嵩阳运动”。“嵩阳运动”之后，地壳开始下沉到海平面以下，接受了巨厚的嵩山群底层的沉积。这个过程大约经历了10多亿年。2009年以来嵩山群地层厚度达到了2100多米，其中由于地壳升降、风化剥蚀等，可能损失了一些，这一段时期属于地质史上的元古代早期。这时，地球上最原始的生物如菌藻类植物慢慢开始形成，在其后期才开始出现一些原始动物。
在距今18亿年前后，地壳又发生了一次变动，巨厚的石英砂岩开始慢慢隆起，并且皱褶成山。这一次地壳运动的推挤力量来自东西方向，所以嵩山群的地层都被推挤成走向接近南北的皱褶了。皱褶作用十分强烈，有的岩层甚至被挤得直立了起来。这在太室山和少室山的南侧都可以见到。这一次地壳运动被称为“中岳运动”。中岳运动也发生了一些断层。
中岳运动之后，地壳又慢慢被夷平、下降，开始是沉积粗大颗粒的砾岩，以后是砾岩、泥岩，一直到含钙镁的石灰岩，说明这里的地壳开始被海水所淹没。一直到五六亿年的时候，发生了“少林运动”，才结束了地质史上的元古代，进入古生代。这次运动的证据在少林寺的南面山坡上可以见到。少林寺位置正代表着地质历史上的一个转折点。寺的前面是元古代地层，寺的后面是寒武纪地层。
从寒武纪到奥陶纪，嵩山地区仍然被海水深深覆盖着。又经过了两亿年左右，这里的地壳开始上升到海平面以上，遭受风化和剥蚀作用，在石灰纪时形成了含煤地层，一直到二叠纪，在嵩山的南北两侧都沉积了这种地层，成为这一地区的主要煤田。
嵩山属伏牛山系，东依HEN省省会郑州，西临古都洛阳，北临黄河，南靠颍水。环山地跨新密、登封、汝州、巩义、偃师、伊川等市县。地理坐标为：东经112°56′07″至113°11′32″，北纬34°23′31″至34°35′53″。
嵩山地区位于华北地台南缘，嵩箕台隆东南部，地层层序比较清楚，基底和盖层地层发育齐全。
嵩山地区的基底构造以褶皱为主，断裂次之。构造线方向近南北或东西，北东稍有偏移，为一些密集、紧闭、形态复杂的同斜线状褶皱以及伴随褶皱而生成的东西——南东向和近东西向的三组断裂。盖层构造以断裂为主，褶皱次之，先褶后断。构造线方向近东西，与基底构造成正交叠加。盖层褶皱平缓开阔，断裂以近东西、北东——南西向和北西——南东向三组发育，前者最早，分为正断层，后者最晚，并经分期活动，性质也较为复杂。
嵩山的地质构造，以其岩龄古老，构造复杂，地层发育完整，出露良好，经过多次构造运动的影响，保留着形态各异的构造形迹而闻名中外。嵩山的发展与形成是内、外力地质作用在漫长的地质历史五个地质年代：太古代、元古代、古生代、中生代、新生代运动的产物。
嵩山的地质构造以褶皱为主，总体成近东西走向的一系列背斜向斜穹窿构造组成。断裂以北西南东为主，把嵩山一分为三。
嵩山岩石的弯曲现象称为褶皱。包括向斜和背斜。岩石在构造运动作用下，或者说在低应力作用下，改变了岩层的原始产状，不仅使岩层发生倾斜，而且大多数形成各式各样的弯曲。褶皱是岩层塑性变形的结果，是地壳中广泛发育的地质构造的基本形态之一。
嵩山岩块沿着断裂面有明显位移的断裂构造称为断层。断层的规模有大有小，所波及的深度有深有浅深可切穿岩石圈或地壳，浅可切穿盖层或只在地表；形成的时代有老有新；有的是一次构造运动的结果，有的是多次构造运动的结果；有的已不活动，有的还在继续活动；形成断层的力学性质或张或压或剪，各不相同。
嵩山系由前震旦纪古老片岩、片麻岩及石英岩构成的断块褶皱山，所以山势陡峭，雄伟壮观，形成明显独特的构造侵蚀低中山之地貌。嵩山地形比较复杂，山地、丘陵、盆地、河谷小平原。嵩山的主体部分太室和少室，峰峦峥嵘，纯属山地面貌。
内力地质作用地壳运动、岩浆运动、变质作用、地震作用对嵩山的形成起决定性作用，留下了明显的痕迹。嵩山地壳运动经过了嵩阳运动、中岳运动、少林运动、怀远运动、燕山运动及喜马拉雅和新构造运动。
中岳运动形成嵩山雏形，燕山运动确定嵩山基本格架经过风化剥蚀后形成今天的嵩山山体。中岳运动末期岩浆发生，形成岩浆入侵，同时又产生变质作用，使已形成的岩石又进一步变质，则形成复杂的变质岩系。
嵩山经风化、侵蚀、溶蚀、沉积作用和改造、滑动、崩塌等作用。嵩山这些运动与作用的产物，被地质学家誉为“五世同堂”的“天然地质博物馆”，嵩山距今已有35亿年的历史，成为我国最古老的山。
嵩山属北温带季风气候，年平均气温14.3℃，平均降水量640.9毫米。四季分明并各具特色，一年中7月最热，平均气温27.3℃，1月最冷，平均气温0.2℃。
嵩山山下全年平均温度14.3℃，山上平均8.5℃，山上年降雨量864毫米。
2012年，嵩山植被覆盖率达65%，嵩山共有维管植物147科、643属、1540种。其中蕨类植物21科、36属、70种；裸子植物5科、9属、10种；被子植物121科、598属、1460种。含30种以上的大科有菊科（50属、121种）、禾本科（61属、108种）、蔷薇科（27属、101种）、豆科（28属、72种）、十字花科（23属、44种）、毛莨科（11属、38种）、莎草科（9属、36种）、蓼科（4属、34种）等10科，约占本区植物总属数的40%，总种数的42%，是嵩山植物区系组成的优势科。
用材植物：木本植物有338种，其中乔木141种，它们是组成山区森林植被的建群种和优势种，也是用材植物的主要资源。分布数量较多、蓄积量较大的主要有栓皮栎、麻栎、化香、短柄袍、槲栎、侧柏、洋槐、油松、栾树、黄檀子、鹅耳枥、大果榉、山槐等47种。
野果植物：野生果树有89种。主要分布于蔷薇科、壳斗科、桑科、葡萄科、猕猴桃科、柿树科和胡颓子科。其中，野山楂、湖北山楂、板栗、河南海棠、欧李、伞花胡颓子、小果蔷薇分布广泛。