博山區地層發育較全，自老至新有四界七系。其中：太古界—泰山群。此層分布于嶺西、樂疃、南博山、池上、李家等。巖性為黑云斜長片麻巖、黑云變粒巖、斜長角閃巖、角閃片巖等。地層厚2700—15000米左右，距今約24億年；古生界—寒武、奧陶、石炭、二迭四系。寒武系分布于石門、北博山、李家、池上、源泉、嶺西、南博山等。巖性下部為頁巖夾灰巖，中部是厚層鱺狀灰巖及頁巖與博層灰巖互層，上部為泥質條紙灰巖夾薄層灰巖與頁巖互層。沉積環境屬海相，含動物化石。層厚600米左右，距今5億年之多；奧陶系分布于石門、夏家莊、石馬、樂疃、八陡、源泉、岳莊、北博山等。巖性為純灰巖、泥灰巖、白云質灰巖及白云巖，屬海相碳酸鹽巖沉積建造，含動物化石。層厚800米左右，距今4.4億年；石炭系分布于八陡、福山、山頭、域城、白塔、夏家莊等。巖性為砂、頁巖互層加灰巖，屬海陸交互相含煤沉積地層，富含動物化石。層厚140米，距今約2.7億年；二迭系分布于八陡、山頭、福山、夏家莊、白塔、蕉莊、域城等，層厚430米左右，屬陸相沉積，含植物化石，距今約2.7億年。中生界。區境內只在蕉莊鄉露侏羅系中、下統，由砂巖、頁巖及巖質頁巖組成，屬河湖沼澤沉積，含植物化石。厚180米，距今約1.4億年。新生界。區境內僅有第四系，廣泛分布于河谷、河川、低洼處，以粘質沙土為主，間夾砂礫層，厚3—4米。 [2] 

境內存在著兩種類型。一為太古代的基地構造，以線狀緊密褶皺為主，褶皺軸向與片理方向一致，呈330-340方向展布，基底斷裂也較發育，只是由于巖性的區域質作用而難以識別；一為中、新生代的蓋層結構，以斷裂為主，褶皺次之。 [2] 

南北向斷裂稱姚家峪斷裂，南自萊蕪市苗山東南一帶，向北過樵嶺前、姚家峪至周村區的金山，全長60千米，縱貫區境16千米。走向N5°W—N10°E，傾角NW或S。傾角55°—75°以上。由2—3條正斷層組成斷裂帶。破碎帶寬100—200米，直斷層南小北大，在區境內的垂直斷距300米左右，水平斷距10千米。北東向斷裂有二：一稱淄河斷裂，南自新汶盆地向北，最終入渤海灣，全長110千米，寬一般400—1000米，出露地表60千米。在區境內一段貫穿博山、源泉諸鄉鎮，長19千米。由3—5條斷裂組成的斷裂帶，走向35°左右南東傾，傾角一般80°左右，從整體向東盤上升，西盤下降，垂直距離100—400米，屬逆斷層性質。一稱秋谷斷裂，西南自樂疃向東北經北神頭、秋谷、西河、田莊，終點與淄河斷裂相會，全長近30千米。在區境內一段長20千米。此斷裂切割了姚家峪斷裂，斷裂走向N70°E，傾向SE，傾角50°—70°，屬正斷層性質。東西向斷裂亦有二：一稱石馬斷裂，西起石馬，北至源泉，與淄河斷裂銜接，全長近20千米，屬正斷層性質。大部分地斷被黃土覆蓋，局部地段有出露，斷層走向EW，傾向S，屬正斷層。位于山頭黑山一帶，長約7千米，走向EW，傾向S，傾角70°—80°，上盤為二迭系上統地層，下盤為二迭系下統地層。落差自西向東由數十米增至百余米。北西向斷層稱福山鎮斷層，位于福山鎮一帶，切割秋谷斷層，長近10千米，屬正斷層性質。走向N50°W，傾向西南，傾角70°。上盤為二迭系地層，下盤為中奧陶統地層。落差南部約500米，北部700米。 [2] 

淄博向斜（也稱淄博盆地），由于受桃花峪斷裂的影響而形成不對稱性。在博山呈狹窄狀向北開闊的箕形盆地。向斜軸在區境內，走向N20°E。其東翼地層走向NE，傾向西北，傾角8°—13°；西翼地層走向SN—西北，傾向E—東北，傾角18°—40°。西河向斜位于福山—西河一帶，西南寬，東北窄。軸向N65°E。向斜核部為石炭系太原組地層；東南翼為石炭系本溪組及奧陶統地層，傾角10°；北西翼以秋谷斷層與中奧陶統地層接觸，產狀略陡，約20度。博山區境內地質構造特點是：斷裂發育，褶皺次之，高角度的張力性斷裂為主。較大的斷裂往往由兩條以上相互平行的斷裂構成斷裂帶。南北向斷裂及北東東向斷裂發育，且控制了大量沉積礦產的展布。 [2] 

博山區境內的巖漿巖活動與其他區比較明顯微弱，根據時代的不同可分兩期：一期是元古代桃科期巖漿巖，僅見于樂疃樵嶺前村西的老貓頭。巖性為蛇紋巖，屬古老的浸入巖體，約20億年左右。巖體呈小巖株，平面橢圓，長軸方向西北，與地層的片理方向一致，變質程度較深，在巖體與混合巖的接觸帶上形成了小型蛭石礦。另一期是中生代燕山期巖漿巖，主要呈巖墻或巖床產出。嶺西桃花峪村一帶有十幾層1—2米厚的輝綠巖床浸入到寒武系中、下統地層中。石馬鎮的淄井和北博山鎮的沙井一帶，在奧陶統石灰巖中浸入了1—2層云斜煌班巖巖床，由于含副礦物磷灰石往往形成一些品位不很高的磷礦床。在煤系地層中（石炭系、二迭系）也有輝綠巖的浸入，有些破壞了煤層的連續性，有些影響了煤的質量。在蕉莊境內，輝綠巖床順層浸入到二迭系上統地層內，其產狀與地層產狀一致，走向為N50度E，出露面積0.44平方千米。 [2] 

博山區總體地勢為南高北低，南、東、西三面中低山環繞，中間低山、丘陵、山澗、河谷排列，北面為丘陵河谷地帶，地勢總變化在130—1100米之間，南部淄河流域與北部孝婦河流域河底高度相差在160—200米之間。 [2] 

博山區南、東、西三面中低山區面積為334.7平方千米，占全區總面積的49.1%。淄河流域南部地勢高起，相對高差500—700米，溝壑縱橫，東部地勢高峻挺拔；樵嶺前至桃園一線西部，地形相對高差550米左右，溝谷幽深，山勢崢嶸，隨處可見。[2] 

包括淄河流域中北部和孝婦河流域的南部，面積297.55平方千米，占全區總面積的43.6%。孝婦河與淄河分水嶺立于其中，西起羊峪嶺，東至671高地，呈弧形東西分布，溝谷切割較深，河谷發育，沖洪積層沿淄河兩岸分布。 [2] 

位于城區以北，面積49.75平方千米，占全區總面積的7.3%。山嶺起伏平緩，最高山頂大尖山海拔295.5米。地形最低處孝婦河出界口海拔130米。孝婦河沿岸沖洪積層連續分布。 [2] 

博山區境內山嶺起伏，層巒疊嶂。海拔800米以上的山峰有47個，500米以上的山峰81個。山脈屬魯中山系，西連泰山，向東蜿蜒深入益都。較大的屬魯山、原山、岳陽山、鹿角山。 [2] 

博山區大陸度為61.3，屬暖溫帶季風區半濕潤氣候。年平均氣溫13.6℃，全年無霜期201天。年平均降水量為719.3毫米，分布不均。四季分明，季風氣候明顯，春季空氣干燥，降水少，溫度回升快，多西南大風，常有干旱、霜凍等災害發生；夏季高溫高濕，降水量集中且多雷雨大風；秋季氣溫下降，雨量突減，天氣晴朗穩定；冬季氣候干燥寒冷，雨雪少，多北向大風。四季分布是冬夏長，春秋短。冬季最長，為140天；夏季次之，為100天；春季最短，為60天。 [15] 

博山區歷年平均氣溫為13.6℃，最高年14.4℃（1998、1999），最低年12.9℃（1986，高低年相差1.5℃）。1月份溫度最低，2—7月為升溫階段，4月升溫最快，幅度為7.7℃，7月達最高，8—2月為降溫階段，11月降溫最快，幅度為7.6℃。氣溫日變化明顯，一般一日中最低溫度在日出前（冬季6—7時，夏季5—6時），最高氣溫在午后（13—15時），年平均日較差為10.0℃，但又隨季節不同而變化較大。春、秋季最大，5月為11.3℃；冬季最小，1月為8.7℃。氣溫的地理分布為北高南低，呈逆向型氣候，即氣溫與海拔高度成反比。據1983年對比觀測和計算，北部（海拔200米）和南部（海拔400—600米）氣溫相差1.5—2.1℃，和南部魯山（1108.3米）相差5.1℃。 [15] 

博山區年平均相對空氣濕度為60%，呈半濕潤狀況。夏季風控制的6—10月份月平均值在60—80%之間；冬季風控制的11至嚴年5月份在50—60%之間。相對濕度的日變化受氣溫日變化影響，在日出前即出現最低氣溫時相對濕度最大，在午后即出現最高氣溫時相對濕度最小。蒸發量年平均為1939.7毫米。各季相差大。5—6月超過280毫米，12月、1月、2月都不足80毫米。 [15] 

博山區蒸發量年平均為1939.7毫米。各季相差大。5—6月超過280毫米，12月、1月、2月都不足80毫米。 [15] 

博山區境內的河流主要有淄河和孝婦河，次有青陽河和牛角河。前3條屬小青河水系，后1條屬黃河水系。 [2]