地理形態
壺口一帶，黃河西岸下陡上緩，狹谷谷底寬約400米，由谷底上坡到龍王坡坡高約150米，崖岸很陡，龍王坡以上谷形展寬，谷坡平緩，黃河的橫剖面成谷中谷的形態，在龍王辿以北，河幅寬度和狹谷寬度一致，河水充滿狹谷，常水位流量在每秒1000—3000立方米，水面寬400餘米，龍王辿以下，水流到壺口，在平整的谷底衝成一道深槽（在大河槽中套了一個小河槽）。小河槽寬30—50米，深約30米。壺口以上，水在寬槽中流行，到了深槽上端，400米寬的水面一下子全部傾注到30—50米寬的深槽中，形成瀑布。此處河床形如一把巨大的茶壺，收盡奔騰不息的黃河之水，壺口因此得名。明代人惠世揚的詩句“源出崑崙衍大流，玉關九轉一壺收。”正是對壺口這一景象的真實寫照。壺口瀑布極為壯觀，滔滔黃水傾瀉而下，激流澎湃，濁浪翻滾，水沫飛濺，煙霧迷濛，狂濤怒吼，聲震數里，瀑布高度在枯水期可達15—20米，夏、秋之際可達45米。在洪水時，洪流滾滾，湧出深槽，瀑布就變成一股激流而下，瀑布形消失。河水沿深槽下行5千米便是孟門，出孟門之後，水面展寬，水勢變緩，又恢復到龍王辿以上的景象。
地質構造
壺口一帶出露的基岩主要是三疊系紙房組。上部為紫紅色、紫灰色和灰綠色細砂岩與泥質岩類互層，下部為深層砂岩，砂岩以長石砂岩為主，比較堅硬；泥質岩類以頁岩為主，鬆軟破碎，易遭流水浸蝕。在險峻的峽谷中，奔騰的急流在垂直下切時遇到軟硬岩石交替的地質條件，其堅硬岩石形成巖檻或造瀑層，軟性岩石被侵蝕成陡峭的階坎，急流飛越階坎，當具有一定落差時，便形成瀑布。當然軟硬相間的岩石層只是瀑布有形成的有利地層條件。
有利的構造條件對壺口瀑布的形成和發展同樣是相當重要的。壺口到孟門一帶，基岩的產狀近於水平、約以3—5度的傾角，微向西北緩傾。另外，秦晉峽谷本身就是斷層，節理比較發育的軟弱地帶，易遭受流水侵蝕切割。因而，黃河流過這裡，往往形成河床陡坎，也可以發展成瀑布。
現代構造運動對壺口瀑布的形成和發展也有重要影響。喜馬拉雅運動之後，這裡地殼運動一直以緩慢的抬升為主，因而水流的下切作用活躍，有助於瀑布的形成和發展。
地層特點
壺口一帶屬華北地層區的陝甘寧盆地地層分割槽。在黃河谷地出露的基岩為三疊系中統下部紙坊組（TZ）；而在黃河西岸的一些支流河溝中，三疊系中統上部銅川組（Tt）時有出露，基岩之上覆蓋著中更新世和晚更新世黃土（Q+3）。按照由老到新的順序，壺口一帶出露的地層如下：
三疊系中統下部——紙坊組（TZ）：
該組取名於銅川市紙坊鎮。巖性以紫紅、紫灰色為主的砂泥岩互層。下粗上細、含脊椎動物、植物、介形、瓣鰓、葉肢介等化石。厚度約數百米，屬內陸河湖相沉積。
三疊系中統上部——銅川組（Tt）：
底部從塊狀中，粗砂粒巖開始，至頂部為黑、深灰綠色頁岩。自下而上由粗變細，自成一旋迴。剖面以銅川最完整。化石最豐富而命名。厚400多米，仍屬內陸河湖相沉積。銅川組和紙坊組之間呈整合接觸。
第四系中更新統離石黃土與上更新統馬蘭黃土（Q+3）：
中更新統離石黃土為淺灰黃、淡紅灰色黃土，夾不等厚的紅褐色古土壤層，底部為亞砂土或砂層，含豐富的脊椎動物化石。
上更新統馬蘭黃土為淺灰黃色黃土的風塵堆積物。
黃土與下伏基岩呈明顯的不整合接觸。
大地構造及其演化
壺口瀑布位於鄂爾多斯盆地中部的陝北黃土高原的東南部。大地構造上屬中朝準地臺的二級構造單元——鄂爾多斯臺拗。其基底由太古代和早元古代的變質岩系組成。其蓋層由晚元古代以來廣泛發育的沉積岩系所組成、蓋層和基底之間呈明顯的角度不整合接觸。地臺基底的形成經歷了一個複雜而漫長的演化過程。在鄂爾多斯臺拗內，由於基底之上覆蓋著巨厚的古生界、中生界和新生界，因而基底很少出露。
晚元古代，該地臺雖然已進入地臺發育期，但仍有一定的活動性。當時地臺內部的升降差異比較明顯，並伴有斷裂活動。地臺中部廣大地區以隆起為主，而邊沿地區則出現狹長帶狀的拗陷和隆起。拗陷帶內所接受的沉積便成為地臺的第一蓋層。震旦紀，地臺的絕大部分已上升為陸，不斷遭受風化剝蝕。
中生代是鄂爾多斯盆地的大發展時期，內陸河湖相沉積極為發育，巖相、厚度相當穩定。地殼運動以整體升降為主，僅在侏羅紀末與早白堊世末的燕山運動中，地臺蓋層才發生輕微褶皺，形成寬緩的向斜，早白堊世晚期，盆地開始差異上升，東南部較高，遭受剝蝕；而西北部相對下降，成為沉積中心。當時地表由東南向西北傾斜，正好與如今相反。自白堊紀世末，全區緩慢上升，至中新世地表被剝蝕夷平，成為準平原，正因如此，盆地內普遍缺失古新統和始新統。在中新世末，或上新世初，由於構造運動的影響，這一準平原北隆南降，全區地勢已轉為西北高而東南低，地面總的傾斜方向與現代一致。
鄂爾多斯盆地第四紀的構造運動，表現為差異性和節奏性上升。從更新世到全新世，地殼經歷了由節奏性上升到較強烈上升的發展過程，所以在前第四紀古地貌基礎上，不同程度地發生著侵蝕和堆積作用，同一地段在不同時期以及不同地段在同一時期形成的黃土堆積與河湖相沉積，構成了本區第四系的主要內容。特別是中更新世黃土，分佈廣，厚度大，構成塬、梁、峁的物質主體，該區的黃土地貌正是這樣的基礎上演化而來的。
黃河的形成經歷了漫長的地質年代。第四紀以前，流域地貌與現代基本接近，但尚未形成統一的黃河。至第四紀早、中更新世，流域內主要湖盆有共和、銀川、河套、汾渭（三門湖）、華北等。這些湖盆除華北湖曾與海洋相連外，均為內陸型，各自形成獨立的集水系統。由於各湖之間河流溯源侵蝕延伸的結果，致使湖盆相互串通，其先後順序不盡相同，終於在晚更新世末至全新世初期形成了統一的黃河。所以秦晉千里長峽和壺口瀑布是在黃河的形成過程中，逐步形成的。
地形地貌
在黃河尚未形成統一的水系之前，秦晉峽谷地帶當時大部分是注入三門湖的一條內陸河流。
汾渭地塹在形成過程中，由於在不同地段和不同時段的差異性下降，因而形成一系列大小不等、深淺不一且彼此分隔的湖泊，象臨汾、運城以及關中地區等自第三紀以來到第四紀初期，主要為湖泊、沼澤環境。特別是到上新世末，隨著汾渭地塹張裂系的形成，湖泊規模越來越大，早更新世時，在現今的陝、晉、豫3省交界處，包括陝西關中地區。山西西南部和河南西部毗連的一塊地方，形成一個面積約2.3萬平方千米的湖泊一山門湖這個古潮就是關中、臨汾—運城、靈寶—三門峽諸盆的前身，三門峽湖區的沉降和周圍地區的抬升，加速了秦晉古河道的加深和延長。秦晉峪谷和壺口瀑布就是在這樣的古地貌基礎上逐步形成。
壺口瀑布的形成和發展，是河床上裂點發展和移動的結果，裂點就是河流中突然形成的急坡地段。最典型的裂點就是瀑布，因為瀑布是河水垂直跌下的地方。因此，瀑布必須有一層堅硬岩石所成的“造瀑層”才不易被河水所侵蝕而使瀑布變為急流。瀑布的下面即有由瀑布衝下所成的深潭。如果造瀑層被蝕後退，那麼瀑布前方就會形成一個不長的峽谷，表示瀑布不斷後退的結果。壺口瀑布的地形正是這樣。孟門曾經是壺口瀑布過去的位置。由於溯源侵蝕，裂點不斷沿河向上遊推移，瀑布下的深潭延伸成原河槽中的小河槽——即“十里龍槽”。如今這段黃河的裂點已到達龍王辿，即今之壺口瀑布；而孟門就是較近地質時期裂點後退與河流下切時遺留在河床的兩個石島。
壺口瀑布、十里龍槽乃至孟門石島，都是黃河水流沖刷出來，而水流的侵蝕作用，受區域地質構造、地貌、氣候、水文等自然地理因素的控制，不同時期由於受各種自然條件的綜合影響，壺口瀑布朔源遷移的速度與“龍槽”上延的速度不同，多年來瀑布跌水以每年3—4釐米的速度不斷向上遊退移，龍槽也以同樣的速度向上遊延伸。
地貌特點
陝西宜川縣和山西吉縣，均在黃土高原地區，其地貌型別以碎黃土塬為主，僅在黃河谷地兩則狹窄的地帶形成薄層黃土覆蓋的石質丘陵。
宜川的破碎塬主要分佈在雲巖河兩側和仕望河流域，塬面海拔1000—1400米，由西向東微傾，完整的塬面已遭破壞，被溝谷分割成一些小塊塬地，其中牛家佃塬、閣樓塬、高柏塬等面積較大，隔黃河與山西的吉縣破碎黃土塬遙相對應。破碎塬的下伏基岩古地貌系黃河干流後來穿過的一個山間盆地，上新世紅土和早更新世黃土多被剝蝕，中更新世的厚層黃土奠定了黃土塬的基礎，後期又有晚更新世馬蘭黃土堆積，在繼承性河溝和現代沖溝作用下，逐漸成為破碎黃土塬。塬面不僅破碎，而且由谷緣向塬的中心部分，相對高差可達100—120米。如牛家佃塬東西寬數千米，南北長几十千米，由緩傾的階狀向主溝過渡，坡度由塬中心1—3度，向塬邊增至10—15度，由於塬區河流皆匯於基準面很低的黃河，因而各種侵蝕作用都比較活躍。
黃河兩岸狹長的帶狀地區，為薄層黃土覆蓋的石質丘陵，壺口一帶出露的基岩主要是三疊紀的砂岩和頁岩，其上覆著薄層的不連續的黃土，黃土厚度為0—40米。各處不一，丘陵頂部分呈梁、峁狀，頂面高程一般為海拔1200米左右，與外圍的破碎塬面的高程相近，高出黃河谷底400—500米。由於這裡緊靠黃河峽谷，黃河的強烈下切，使其沿岸交流也隨之強烈下切，因而將沿岸地表分割得支離破碎，形成覆蓋著薄層黃土的石質丘陵。梁、峁起伏，溝谷深切。除梁、峁下部基岩裸露外，有些地段上覆黃土已遭剝蝕，基岩直接外露，呈現出一種基岩殘丘景象。
地理形態
壺口一帶，黃河西岸下陡上緩，狹谷谷底寬約400米，由谷底上坡到龍王坡坡高約150米，崖岸很陡，龍王坡以上谷形展寬，谷坡平緩，黃河的橫剖面成谷中谷的形態，在龍王辿以北，河幅寬度和狹谷寬度一致，河水充滿狹谷，常水位流量在每秒1000—3000立方米，水面寬400餘米，龍王辿以下，水流到壺口，在平整的谷底衝成一道深槽（在大河槽中套了一個小河槽）。小河槽寬30—50米，深約30米。壺口以上，水在寬槽中流行，到了深槽上端，400米寬的水面一下子全部傾注到30—50米寬的深槽中，形成瀑布。此處河床形如一把巨大的茶壺，收盡奔騰不息的黃河之水，壺口因此得名。明代人惠世揚的詩句“源出崑崙衍大流，玉關九轉一壺收。”正是對壺口這一景象的真實寫照。壺口瀑布極為壯觀，滔滔黃水傾瀉而下，激流澎湃，濁浪翻滾，水沫飛濺，煙霧迷濛，狂濤怒吼，聲震數里，瀑布高度在枯水期可達15—20米，夏、秋之際可達45米。在洪水時，洪流滾滾，湧出深槽，瀑布就變成一股激流而下，瀑布形消失。河水沿深槽下行5千米便是孟門，出孟門之後，水面展寬，水勢變緩，又恢復到龍王辿以上的景象。
地質構造
壺口一帶出露的基岩主要是三疊系紙房組。上部為紫紅色、紫灰色和灰綠色細砂岩與泥質岩類互層，下部為深層砂岩，砂岩以長石砂岩為主，比較堅硬；泥質岩類以頁岩為主，鬆軟破碎，易遭流水浸蝕。在險峻的峽谷中，奔騰的急流在垂直下切時遇到軟硬岩石交替的地質條件，其堅硬岩石形成巖檻或造瀑層，軟性岩石被侵蝕成陡峭的階坎，急流飛越階坎，當具有一定落差時，便形成瀑布。當然軟硬相間的岩石層只是瀑布有形成的有利地層條件。
有利的構造條件對壺口瀑布的形成和發展同樣是相當重要的。壺口到孟門一帶，基岩的產狀近於水平、約以3—5度的傾角，微向西北緩傾。另外，秦晉峽谷本身就是斷層，節理比較發育的軟弱地帶，易遭受流水侵蝕切割。因而，黃河流過這裡，往往形成河床陡坎，也可以發展成瀑布。
現代構造運動對壺口瀑布的形成和發展也有重要影響。喜馬拉雅運動之後，這裡地殼運動一直以緩慢的抬升為主，因而水流的下切作用活躍，有助於瀑布的形成和發展。
地層特點
壺口一帶屬華北地層區的陝甘寧盆地地層分割槽。在黃河谷地出露的基岩為三疊系中統下部紙坊組（TZ）；而在黃河西岸的一些支流河溝中，三疊系中統上部銅川組（Tt）時有出露，基岩之上覆蓋著中更新世和晚更新世黃土（Q+3）。按照由老到新的順序，壺口一帶出露的地層如下：
三疊系中統下部——紙坊組（TZ）：
該組取名於銅川市紙坊鎮。巖性以紫紅、紫灰色為主的砂泥岩互層。下粗上細、含脊椎動物、植物、介形、瓣鰓、葉肢介等化石。厚度約數百米，屬內陸河湖相沉積。
三疊系中統上部——銅川組（Tt）：
底部從塊狀中，粗砂粒巖開始，至頂部為黑、深灰綠色頁岩。自下而上由粗變細，自成一旋迴。剖面以銅川最完整。化石最豐富而命名。厚400多米，仍屬內陸河湖相沉積。銅川組和紙坊組之間呈整合接觸。
第四系中更新統離石黃土與上更新統馬蘭黃土（Q+3）：
中更新統離石黃土為淺灰黃、淡紅灰色黃土，夾不等厚的紅褐色古土壤層，底部為亞砂土或砂層，含豐富的脊椎動物化石。
上更新統馬蘭黃土為淺灰黃色黃土的風塵堆積物。
黃土與下伏基岩呈明顯的不整合接觸。
大地構造及其演化
壺口瀑布位於鄂爾多斯盆地中部的陝北黃土高原的東南部。大地構造上屬中朝準地臺的二級構造單元——鄂爾多斯臺拗。其基底由太古代和早元古代的變質岩系組成。其蓋層由晚元古代以來廣泛發育的沉積岩系所組成、蓋層和基底之間呈明顯的角度不整合接觸。地臺基底的形成經歷了一個複雜而漫長的演化過程。在鄂爾多斯臺拗內，由於基底之上覆蓋著巨厚的古生界、中生界和新生界，因而基底很少出露。
晚元古代，該地臺雖然已進入地臺發育期，但仍有一定的活動性。當時地臺內部的升降差異比較明顯，並伴有斷裂活動。地臺中部廣大地區以隆起為主，而邊沿地區則出現狹長帶狀的拗陷和隆起。拗陷帶內所接受的沉積便成為地臺的第一蓋層。震旦紀，地臺的絕大部分已上升為陸，不斷遭受風化剝蝕。
中生代是鄂爾多斯盆地的大發展時期，內陸河湖相沉積極為發育，巖相、厚度相當穩定。地殼運動以整體升降為主，僅在侏羅紀末與早白堊世末的燕山運動中，地臺蓋層才發生輕微褶皺，形成寬緩的向斜，早白堊世晚期，盆地開始差異上升，東南部較高，遭受剝蝕；而西北部相對下降，成為沉積中心。當時地表由東南向西北傾斜，正好與如今相反。自白堊紀世末，全區緩慢上升，至中新世地表被剝蝕夷平，成為準平原，正因如此，盆地內普遍缺失古新統和始新統。在中新世末，或上新世初，由於構造運動的影響，這一準平原北隆南降，全區地勢已轉為西北高而東南低，地面總的傾斜方向與現代一致。
鄂爾多斯盆地第四紀的構造運動，表現為差異性和節奏性上升。從更新世到全新世，地殼經歷了由節奏性上升到較強烈上升的發展過程，所以在前第四紀古地貌基礎上，不同程度地發生著侵蝕和堆積作用，同一地段在不同時期以及不同地段在同一時期形成的黃土堆積與河湖相沉積，構成了本區第四系的主要內容。特別是中更新世黃土，分佈廣，厚度大，構成塬、梁、峁的物質主體，該區的黃土地貌正是這樣的基礎上演化而來的。
黃河的形成經歷了漫長的地質年代。第四紀以前，流域地貌與現代基本接近，但尚未形成統一的黃河。至第四紀早、中更新世，流域內主要湖盆有共和、銀川、河套、汾渭（三門湖）、華北等。這些湖盆除華北湖曾與海洋相連外，均為內陸型，各自形成獨立的集水系統。由於各湖之間河流溯源侵蝕延伸的結果，致使湖盆相互串通，其先後順序不盡相同，終於在晚更新世末至全新世初期形成了統一的黃河。所以秦晉千里長峽和壺口瀑布是在黃河的形成過程中，逐步形成的。
地形地貌
在黃河尚未形成統一的水系之前，秦晉峽谷地帶當時大部分是注入三門湖的一條內陸河流。
汾渭地塹在形成過程中，由於在不同地段和不同時段的差異性下降，因而形成一系列大小不等、深淺不一且彼此分隔的湖泊，象臨汾、運城以及關中地區等自第三紀以來到第四紀初期，主要為湖泊、沼澤環境。特別是到上新世末，隨著汾渭地塹張裂系的形成，湖泊規模越來越大，早更新世時，在現今的陝、晉、豫3省交界處，包括陝西關中地區。山西西南部和河南西部毗連的一塊地方，形成一個面積約2.3萬平方千米的湖泊一山門湖這個古潮就是關中、臨汾—運城、靈寶—三門峽諸盆的前身，三門峽湖區的沉降和周圍地區的抬升，加速了秦晉古河道的加深和延長。秦晉峪谷和壺口瀑布就是在這樣的古地貌基礎上逐步形成。
壺口瀑布的形成和發展，是河床上裂點發展和移動的結果，裂點就是河流中突然形成的急坡地段。最典型的裂點就是瀑布，因為瀑布是河水垂直跌下的地方。因此，瀑布必須有一層堅硬岩石所成的“造瀑層”才不易被河水所侵蝕而使瀑布變為急流。瀑布的下面即有由瀑布衝下所成的深潭。如果造瀑層被蝕後退，那麼瀑布前方就會形成一個不長的峽谷，表示瀑布不斷後退的結果。壺口瀑布的地形正是這樣。孟門曾經是壺口瀑布過去的位置。由於溯源侵蝕，裂點不斷沿河向上遊推移，瀑布下的深潭延伸成原河槽中的小河槽——即“十里龍槽”。如今這段黃河的裂點已到達龍王辿，即今之壺口瀑布；而孟門就是較近地質時期裂點後退與河流下切時遺留在河床的兩個石島。
壺口瀑布、十里龍槽乃至孟門石島，都是黃河水流沖刷出來，而水流的侵蝕作用，受區域地質構造、地貌、氣候、水文等自然地理因素的控制，不同時期由於受各種自然條件的綜合影響，壺口瀑布朔源遷移的速度與“龍槽”上延的速度不同，多年來瀑布跌水以每年3—4釐米的速度不斷向上遊退移，龍槽也以同樣的速度向上遊延伸。
地貌特點
陝西宜川縣和山西吉縣，均在黃土高原地區，其地貌型別以碎黃土塬為主，僅在黃河谷地兩則狹窄的地帶形成薄層黃土覆蓋的石質丘陵。
宜川的破碎塬主要分佈在雲巖河兩側和仕望河流域，塬面海拔1000—1400米，由西向東微傾，完整的塬面已遭破壞，被溝谷分割成一些小塊塬地，其中牛家佃塬、閣樓塬、高柏塬等面積較大，隔黃河與山西的吉縣破碎黃土塬遙相對應。破碎塬的下伏基岩古地貌系黃河干流後來穿過的一個山間盆地，上新世紅土和早更新世黃土多被剝蝕，中更新世的厚層黃土奠定了黃土塬的基礎，後期又有晚更新世馬蘭黃土堆積，在繼承性河溝和現代沖溝作用下，逐漸成為破碎黃土塬。塬面不僅破碎，而且由谷緣向塬的中心部分，相對高差可達100—120米。如牛家佃塬東西寬數千米，南北長几十千米，由緩傾的階狀向主溝過渡，坡度由塬中心1—3度，向塬邊增至10—15度，由於塬區河流皆匯於基準面很低的黃河，因而各種侵蝕作用都比較活躍。
黃河兩岸狹長的帶狀地區，為薄層黃土覆蓋的石質丘陵，壺口一帶出露的基岩主要是三疊紀的砂岩和頁岩，其上覆著薄層的不連續的黃土，黃土厚度為0—40米。各處不一，丘陵頂部分呈梁、峁狀，頂面高程一般為海拔1200米左右，與外圍的破碎塬面的高程相近，高出黃河谷底400—500米。由於這裡緊靠黃河峽谷，黃河的強烈下切，使其沿岸交流也隨之強烈下切，因而將沿岸地表分割得支離破碎，形成覆蓋著薄層黃土的石質丘陵。梁、峁起伏，溝谷深切。除梁、峁下部基岩裸露外，有些地段上覆黃土已遭剝蝕，基岩直接外露，呈現出一種基岩殘丘景象。