泰山上的杂岩已有20多亿年历史，是世界最古老的岩石之一，对研究我国东部元古代地质构造、岩浆活动及板块构造，具有重要的科学价值。
泰山西北麓张夏、崮山、炒米店一带的灰岩和砂页岩发育典型，是北方寒武系地层的标准剖面，是古生物许多种属的命名地或模式标本原产地。后来在山前中溪发现的辉绿玢岩脉圆柱节理，就引起了地质学界的重视。
泰山形成于太古代，因受来自西南和东北两方面的挤压力，褶皱隆起，经深度变质形成了我国最古老的地层，那就是泰山群。后因地壳变动，被多组断裂分割，形成块状山体，后来每年以0.5毫米的速度继续增高。
在泰山南部，太古界岩层上裂隙泉分布很广，从岱顶至山麓，泉溪争流，山高水长，泉水清冽，无色透明，含有人体所需的多种微量元素，是优质的矿泉水，古称“泰山神水”。
在泰山北部，中上寒武系和奥陶系石灰岩岩层向北倾斜，地下水在地形受切割处显露出泉水。从锦绣川向北，泉水汩汩，星罗棋布。
北麓丘陵边缘地带，岩溶水向北潜流，受地层区辉长岩的堵截，纷纷涌露，使古城济南成为“家家泉水，户户杨柳”的泉城。
温带季风性气候使泰山具有明显的垂直变化：山顶年均气温5.3度，比山麓泰安城低7.5度；年均降水量1100多毫米，相当于山下的1.5倍；山下四季分明，山上春秋相连。泰山冬季较长，形成雾凇雨凇奇观。夏秋之际，云雨变幻，群峰如黛，林茂泉飞，气象万千。
泰山植被茂密，种类繁多，垂直分布。从山麓拾级而上，可依次见到落叶林、阔叶针叶混交林、针叶林、高山灌木丛，林带界线分明，植物景观各异。