一、地質
天祝縣境內山地統屬祁連山係，在古生代為祁連地槽向東延伸的海浸地帶，沉積了中奧陶紀、誌留紀的灰色和綠色岩係數。加裏東運動和海西運動對本地區影響極大，特別是海西運動中海浸退卻，造成了祁連雛形。在強列的褶皺、斷層過程中，伴之以猛烈的火山運動，大量的岩漿或浸入或溢出，質地槽內長期沉積的岩層被擠壓而形成了複雜的祁連山褶皺係。經過石灰紀、二迭紀的多次海進海退和褶皺斷層，山地隆起，山間也出現了如金強河盆地、鬆山盆地、安遠盆地、寨子灘盆地等斷陷盆地。在山前坳陷地帶堆積了海相和陸相沉積，形成了中生代煤係地層。到燕山運動，原來的地層褶皺再褶皺，使祁連山斷塊上升為高大的山脈。
（一）地層
天祝縣地層發育比較齊全，前震旦係、震旦係、寒武係、奧陶係、誌留係、泥盆係、石炭係、二迭係、三迭係、侏羅係、白堊係、第四係均有分布。
（二）構造
天祝其地質構造單元上屬祁連褶皺係，由西北向東西向的的折轉帶上。根據李四光的板塊學說，這一地區乃是阿拉山古陸塊前沿祁連山呂梁弧西翼的一部分，處在板塊與地槽的接觸帶上。
二、地貌
（一）地貌特征
天祝縣地處我國地形第一階梯青藏高原向第二階梯黃土高原的過渡地帶。以烏鞘嶺為界，東西兩側差異很大，西北部是祁連山區，海拔大都在3500米以上，主要山嶺海拔也都在4000米以上。大雪山最高，海拔達4874米，終年冰雪覆蓋，是石羊河支流西營河、金塔河、雜木河、黃羊河的發源地。烏鞘嶺以東及毛毛山南麓的廣大地區，海拔2610～3565米之間，大部分地區為黃土覆蓋，呈現為黃土高原和丘陵景觀。縣境西南的大通河沿岸，海拔2040～2300米之間，是全縣最低的地區。
主要山嶺由西北向東南延伸，高度逐漸降低。祁連山東延冷龍嶺在縣內分為南北兩支，北支東延為代乾山（海拔4303米），雷公山（海拔4326米）、烏鞘嶺（海拔3561米）、毛毛山（海拔4074米），再東入景泰縣境內，進入黃土高原。這條山嶺是內陸石羊河水係與黃河水係的分水嶺，也是自然地理的重要分界線，它阻擋著東南季風的西進。南支馬牙雪山，海拔4447米東南為崗森嶺（3835米）、三寶山（3770米），再東南入永登縣，進入黃土高原。
（二）地貌類型
西北部高山高原區金強河上遊以北的冷龍嶺、卡窪掌、磨臍山、響水頂、代乾山、雷公山一帶，地勢高峻，海拔多在4000米以上，山峰則隻有4100～4847米，相對高度不太顯著，呈現出地勢開闊坦蕩，氣勢雄偉的高原特色，是青藏高原的東北邊緣。雪線以上，廣布著現代冰川，冰雪資源豐富，以卡窪掌為極高點，發源了許多向四周分流的放射狀河流，河流切割山地，形成了許多深邃的峽穀，山間穀地和開闊的高原上，水草豐美，是優良牧場。
西南部高山峽穀區金強河（包括金強河穀）以南的馬牙雪山、五台嶺、桌子山、三寶山一帶，海拔在3000米以上，山脈呈現西北--東南走向，在馬牙雪山與青海省仙密大山、青石嶺之間的西北——東南走向的大通河、馬牙雪山與雷公山之間的金強河山地嶺穀緊密相同，高山與深穀高差懸殊，山坡陡峭，尤其馬牙雪山軸部為性質較脆的深層石灰岩構成，山地海拔特高，氣候酷寒，凍裂風化十分強烈，形成了山峰峻峭，壁立萬仞，嶙峋崎嶇的景象。古人有詩曰：“馬齒天成銀作骨，龍鱗日積玉為胎”。河穀由西北部的3000米左右向東南下降至2000米以下。大通河和金強河兩岸，形成狹長的穀地，穀地兩岸，地勢廣闊平坦，土壤肥沃，灌溉便利，是主要的農業區。
中部中山區金強河以北的烏鞘嶺、毛毛山近於西東走向，海拔在3000上下，長約60公裏，寬約30公裏，是一條東西狹長的山地。山地西連祁連山主脈，向東在白銀市境內沒入黃土高原，成為我國黃土高原與內蒙古高原的分界線。山區受地形影響降水較多，天然植被生長、保存較好。山地南側河流少而且小，河蝕作用不太顯著，但物理風蝕極為強烈，風蝕物質覆蓋在山坡上，填充於溝穀中，以致主脊線兩側形渾圓，外形完整，大部分山地保持了原始山地構造的外形，山地的北側坡較為陡峻，如烏鞘嶺、毛毛山嶺脊高度為3949米，向北15公理處，海拔則隻有2000米，在15公裏的直線距離內高差近2000米，可見坡麵的陡峻；山地南側坡則較為平緩，如山地南麵的永登縣，海拔2070米，由永登到烏鞘嶺，在50餘公裏的直線距離內，高差僅有2000米。