石家庄市的大地构造,属山西地台和渤海凹陷之间的交接地带。在地质构造上主要经历了太古代末期的阜平运动,下元古代的吕梁运动,中生代的燕山运动和新生代的喜马拉雅运动。在太古代和元古代,由于石家庄市是下沉地区,沉积了巨厚的砂岩、页岩、石灰岩等岩系。震旦纪初期的吕梁运动,太行山山地发生了巨大的褶皱隆起,使太古代、元古代的岩层发生了强烈的褶皱和许多断裂断层。吕梁运动以后,石家庄市地壳缓慢的升降运动,主要表现为下沉。因而,在石家庄市又沉积了大量的砂岩、页岩、石灰岩等岩系,构成了石家庄市的物质基础。后海水撤退,石家庄市表现为上升运动。到志留纪后期,由于加里东运动的结果,使整个华北产生隆起,从而形成陆地。
新生代初期,由于燕山运动的影响,在石家庄市形成了多处断裂。石家庄市-元氏-临城的断裂带以及沿现今山区和平原交界处的一系列断裂层都是这一时期形成的。喜马拉雅运动的结果,石家庄市表现为大型的断裂下陷,沿京广铁路一线产生了北东向的大断裂,山区和平原进一步分裂。从此,奠定了目前山区和平原的基本形态。
石家庄市出露地层以太古宇变质岩层为主,古生界、新生界以及第四纪地层也有广泛分布。太古宇岩系主要分布在行唐、灵寿、平山、井径、元氏、赞皇一带,以黑云母斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩、大理岩为主。新生界第四纪地层在石家庄市广泛发育,大部分出露于华北凹陷区,少部分出露于山间沟谷、山坡等处,主要由冲积、洪积、残积物和黄土组成。