地层市区内的地层，除前震旦系没有出露，石炭系缺失外，基本上发育都较为齐全。寒武系、奥陶系在本区发育完整，岩性以石灰岩为主，还有白云岩、页岩。发育完好的岩性引起国内外学者的重视，并经常前来考察。近年来笔者就接待过不少考察团，其中有美国、法国学者。可以说，张家界不但自然风光有名，张家界的地层也很有名。
张家界市区的地层，主要为石灰岩层，这为我们建筑业用石料、石灰，生产水泥提供了取之不尽的原材料。我市地下喀斯特溶洞景观形成，石灰岩层是先决条件，因为石灰岩中主要成份为钙，钙容易溶解于水，当这种水在地下深处有一定压力时，溶解更甚。灰岩中的钙被水溶解带走，经过几十万、百万年，甚至上千万年的沉积钙化，石灰岩地表就会形成溶沟、溶槽，地下就会形成空洞，所以有落水洞、溶洞、暗洞等。当这种含钙的水，在流动中失去压力，或成份发生变化，钙有一部分会以石灰华的堆积物形态沉淀下来，变成地下空洞。由于免受自然外力的破坏与逐渐堆积，便形成了石钟乳、石笋、石柱等自然景观。
其次，在市区分部的为页石、砂岩。这类砂岩，尤以中泥盆流的云台观组石英砂岩在我市最为著名。厚层状，结构致密坚硬，不易风化，便是这类砂岩的特点。武陵源景区内的金鞭岩、南天一柱等奇特石峰，就是这种砂岩性格的充分体现。它是我们张家界的骄傲，是形成武陵源景观的物质基础，没有它，就没有我们今天武陵源的美丽风光。
除此之外，张家界的地层中还蕴藏了更为珍贵的古生物化石。二叠系中珊瑚化石是生产龟纹石的原料，埋葬在侏罗系中的芙蓉龙恐龙化石七十年代在桑植的芙蓉桥挖掘，今陈列在省地质博物馆。可以说，张家界的地层蕴藏了不少真正的宝藏，等待着人们不断的探索和挖掘。
构造 市区大地构造跨越江南古陆和扬子准地台两大一级构造单元。总的为较为稳定的陆地台块，以上下升降运动为主，褶皱运动不强烈，也没有岩浆石活动出露，断裂构造只在两大构造单元接触部位即市区澧水河谷一带较为发育，其他地区不多。这样稳固的地壳基础，是武陵源景区内几千座石英砂岩峰林千百万年永不崩塌的真正奥秘。了解本区大地构造特点，有助于加深我们这一认识。不少游人，可能已经感到奇怪，象武陵源这样的石英砂岩，在我国各地，何止一处两处，为何独有武陵源有上百米几百米高的砂岩巨峰屹立青山，耸立蓝天而不倒呢？奇迹！就这样选择了张家界的武陵源。
矿产 地层和构造的特殊条件，使张家界的矿产以沉积形成的矿产为主，有煤、铁、镍、钼，其次有低温热液形成的铅、锌、铜，非金属矿产有石灰岩、白云岩、大理石、营石、重晶石、硅石（石英）等，还有矿泉水。
总之，从科学和工业的观念上讲，泥土石矿能烧制砖瓦，砂石矿能建造桥梁、高楼。能利用，能为国民经济建设服务的都是有用的矿产资源，都应该珍惜和保护，只是其价值大小不同罢了。
形成武陵源景区奇特的砂岩峰林地貌的石英砂岩，本身也是一种矿产资源。其二氧化硅含量达百分之九十至九十九点零六，是生产石英玻璃的优质原料。是开采作为矿石，还是保存其峰林景观，我想，人们肯定会毫不犹豫选择后者，因为后者的价值简直无法计算。
地貌 在张家界市区境内，由于受地理、地层、构造、气候等诸多条件的影响，便形成了多姿多彩的地貌奇观。从地势上来看，我市西接云贵高原，东临洞庭湖，北与鄂西山区接壤，南又与雪峰山毗连。其总的地势是：东南与中部低，四周高，沿澧水河流两岸，又有一块一块的冲积土平原。我市境内一年四季，气候温和，雨量充沛，溪流发育，各条溪流的均汇集到澧水河，然后从西向东，一直流进八百里洞庭湖。湖内，沉积着几十米几百米厚的泥沙。
与洞庭湖相反，从东向西，地势又逐渐升高，到市区中心地段，便出现了海拔高达1500余米的天门山、七星山等高山峻岭。有高山峻岭，又有低谷平原，这就是本区独特的流水侵蚀地貌。
武陵源景区内的巨厚的石英砂岩，产状平缓，使岩层不能沿层面薄弱部位滑塌，覆盖在志留系柔性的页岩之上。重力作用，使得刚性的石英砂岩垂直节理发育，在水流强烈的侵蚀作用下，岩层不但解体、崩塌，流水搬运，残留在原地的便形成雄、奇、险、秀、幽、旷等千奇百怪的峰林，是武陵源风景区的主体。
慈利县五台山风景胜地，同样也是由同一层位的石英砂岩组成，岩层产状也平缓。到过那里观光的人，可能会提出疑问，五台山怎么不形成峰林地貌，却形成一个台地，既人们所称为“方山”呢？游人只要仔细观察，就不难发现，五台山顶部有黄绿色的页石、泥灰岩覆盖，它是隔水岩系，可以保护下伏砂岩免受流水侵蚀。可惜那只是百万年或千万年以后的事了。
流水侵蚀地貌，在市域另一个突出的表现是由于地壳上升，溪流向下切割作用加大，来不及将河流拓宽，而使河谷形成隘谷、峡谷。河的谷底极窜成线形，两壁陡峻，滩多水急。张家界市澧水源头、娄水上游、茅岩河段，就是这种河谷地貌。当你泛舟或漂流在这种河谷的急流险滩上，惊涛骇浪使你感到刺激，进入忘我的境界。两岸陡峻秀丽的景色，又使你留恋人生，勇气会在心中升起，会使你在激流中拼搏，奋斗人生。为什么众多的年青人，也有不少中老年人，到了张家界，非到茅岩河、澧水河、娄水河漂流不可，真谛，也许就在这里。
喀斯特地貌（近年来学术界也称岩溶地貌），也是张家界地貌的另一突出的特点。约占全市面积百分之四十左右，且种类，不论地表、地干，其堆积物均发育齐全，是我国湘西北喀斯特地形发育地区的一个组成部分。桑植县、慈利县大部，武陵源区、永定区东南部是这一地形发育的地区。
地表喀斯特地形的溶沟、溶槽、石芽、干谷、石丘、石陵市内各地可见，唯石林在市区少见，在天门山风景区能见到一些单个石柱，但很少成林。湘西北地区只有在自治州花垣县小排吾一地，有一片石林，俗称“石栏栅”，颇引人注意， 也吸引了不少游人学者观光考察。
天门山风景区地貌，应属高山地形，有流水的侵蚀作用，也有喀斯特作用形成的地貌。在流水侵蚀作用下，岩层产生崩塌，形成悬崖陡峭，极为壮观，面临澧水，更是雄伟。喀斯特溶洞高挂山峰，奇妙无比，历来为游览胜地。
地下喀斯特溶洞、喀斯特堆积物形态。在张家界，更是堪称一绝。其溶洞规模，桑植县的九天洞能列入世界洞穴学会会员洞，也真不愧为亚洲地一洞的响亮称号，可见不是一般。
九天洞和位于武陵源区的黄龙洞，是张家界地下喀斯特地形的代表。它们集溶洞、溶洞河、暗河、落水洞、漏斗为一体。其洞内喀斯特堆积物，石钟乳、石笋、石柱更是千姿百态，变化万千，可以说，想什么，像什么，极大地拓展了游人想象的空间，往往使人很难找到恰当的词汇和语言来赞美她。