泰山上的雜巖已有20多億年曆史，是世界最古老的岩石之一，對研究中國東部元古代地質構造、岩漿活動及板塊構造，具有重要的科學價值。

泰山西北麓張夏、崮山、炒米店一帶的灰巖和砂頁岩發育典型，是北方寒武系地層的標準剖面，是古生物許多種屬的命名地或模式標本原產地。後來在山前中溪發現的輝綠玢岩脈圓柱節理，就引起了地質學界的重視。

泰山形成於太古代，因受來自西南和東北兩方面的擠壓力，褶皺隆起，經深度變質形成了中國最古老的地層，那就是泰山群。後因地殼變動，被多組斷裂分割，形成塊狀山體，後來每年以0.5毫米的速度繼續增高。

在泰山南部，太古界岩層上裂隙泉分佈很廣，從岱頂至山麓，泉溪爭流，山高水長，泉水清冽，無色透明，含有人體所需的多種微量元素，是優質的礦泉水，古稱“泰山神水”。

在泰山北部，中上寒武系和奧陶系石灰岩岩層向北傾斜，地下水在地形受切割處顯露出泉水。從錦繡川向北，泉水汩汩，星羅棋佈。

北麓丘陵邊緣地帶，岩溶水向北潛流，受地層區輝長岩的堵截，紛紛湧露，使古城濟南成為“家家泉水，戶戶楊柳”的泉城。

溫帶季風性氣候使泰山具有明顯的垂直變化：山頂年均氣溫5.3度，比山麓泰安城低7.5度；年均降水量1100多毫米，相當於山下的1.5倍；山下四季分明，山上春秋相連。泰山冬季較長，形成霧凇雨凇奇觀。夏秋之際，雲雨變幻，群峰如黛，林茂泉飛，氣象萬千。

泰山植被茂密，種類繁多，垂直分佈。從山麓拾級而上，可依次見到落葉林、闊葉針葉混交林、針葉林、高山灌木叢，林帶界線分明，植物景觀各異。