古生界地層僅分佈在永登縣和皋蘭縣北部邊界一帶，呈北西—南東方向的條帶狀展布，組了祁連山東延余脈的寶泉山、和尚峴、大土梁等北部界山。寒武系僅分佈在永登縣葛家堡、甘池、沙梁墩以東，皋蘭縣大橫路至大土梁以北的邊境一帶。奧陶系主要分佈在永登縣境。志留系分佈在永登縣富強堡、騸馬坪、四泉、宋家窯及皋蘭縣石青至白坡子的北部邊界一帶。泥盆系零星分佈在永登縣北部邊界的宋家堡、白澇池—韭菜、泉兒掌、大荒草等地。石炭系出在永登縣北部邊界。二疊系出在永登縣北部邊界一帶。 【49】

中生界在紅古區和永登縣境更為廣泛。三疊系出在永登縣北部邊界。侏羅系主要分佈於紅古區、七里河區和榆中縣。白堊系主要分佈在永登縣獎俊埠嶺周圍、庄浪河與鹹水河兩岸，西固區區河口，七里河區七道梁，城關區青白石一帶。 【49】

新生界地層是蘭州市出最廣地層，其中上新統臨夏組分佈較廣。下第三系的固原群，零星分佈於榆中縣南部邊界的劉家—騾子灘一帶。西寧群主要分佈在大通河與庄浪河之間。蘭州市第四系極為發育，遍布全市。

蘭州市位於華北板塊與華南板塊撞而形的祁連山—秦嶺地合線上，晚近時期由於印度板塊向歐亞板塊的撞，到來自南西—北東方向的力而於活狀態。其地質構造類型主要有褶皺構造、斷裂構造。 【49】

蘭州市的褶皺構造可分為前加里東期和加里東期。比較清楚的前加里東期褶皺有：馬銜山倒轉復背斜、興隆山複式向斜、園子—梁坪向斜、黃崖口—石潤子倒轉背斜、筆架山向斜、黑石川複式背斜、龔家窯複式背斜、十里店複式向斜、高崖向斜、獎俊埠嶺單斜構造。蘭州市北部邊界一帶加里東期褶皺表現最清楚，所形的褶皺規模巨大，呈北西西向，閉的線狀對稱複式背、向斜構造形態，因到侵岩、斷裂構造的破壞和新地層的覆蓋，以至形態已不完整。蘭州市的斷裂構造可分為前加里東期、加里東期、印支期、燕山和喜馬拉雅期。其延方向，分為北西西組、北西—南北組、北東組；有逆斷層、正斷層和平移斷層。

蘭州市地隴西黃土高原的西部與青藏高原的過渡地帶，地貌可劃分為構造—剝蝕、山麓斜坡堆積及河流侵蝕堆積三類，形山地、丘陵、山間盆地及河谷四種地貌單元， 【36】境地勢西部和南部高，東北低，黃河自西南流向東北，橫穿全境，切穿山嶺，形峽谷與盆地相間的串珠形河谷。 【50】蘭州市境地形可分為三帶：北部為阿爾金山-祁連山侵蝕構造山地區之祁連山東段中山山地亞區，中部為峽谷與盆地相間的串珠狀河谷盆地，南部為馬銜山、興隆山、霧宿山等山地。境大部分地區為海拔1500-2000米的黃土覆蓋的丘陵和盆地，主要有秦王川和榆中兩大斷陷盆地，其中秦王川盆地位於永登縣與皋蘭縣之間，盆地形狀為倒三角形，南北長約42千米，東西最寬約16千米，總面積470平方千米，海拔在1850-2300米，是蘭州市地勢平坦、面積最大的盆地。

蘭州市境河道屬黃河流域，河流總長度1179.7千米，河網度0.04千米/平方千米，徑流總量338億立方米。境主要河道有一級支流湟水河、庄浪河、宛川河、苦水、雷壇河、麋鹿、中鋪、王蜆等，總長792.9千米；二級支流大通河，總長60千米。其中，最大的支流是湟水，從紅古區堂峽境至西固區達川鄉流經海石灣、紅古、花庄、平安4個鄉鎮，長57千米，流域面積3.4萬平方千米，年均流量44.2億立方米/秒。 【36】

蘭州境的河是季節河流，有相當多的河甚至常年無水，只有在暴雨天才有流水。截至2020年，蘭州市除了黃河、湟水、大通河水量富，庄浪河水量較富外，只有榆中縣境的龕谷河、徐家峽河、興隆峽河、曳木岔河、灘河，七里河境的阿干河，永登縣境的吐魯河還有量流水外，其他的河流，包括過去有較大流量的如宛川河、沙河、大河、水岔河、柳河、西果園河、七里河、筍籮河、龍灘河、鹹水河、蔡家河、水阜河等均已斷流。

截至2020年9月，蘭州市有水庫15座，永登縣9個水庫為：大東灣水庫、中壩水庫、李堯水庫、魚兒壩水庫、下河西水庫、五里墩水庫、護兒灣水庫、黑石頭水庫、東泉子水庫；皋蘭縣4個水庫為：黑石水庫、三和水庫、曹家水庫、太平山水庫；榆中縣2個水庫為：高崖水庫、龕谷水庫。 【191】

高崖水庫是由1958年截堵馬銜山流出的兩條河水彙集而的人工湖，徑流面積131平方公里，庫址海拔1511米。水庫以蓄宛川河上游山洪為主，兼蓄長流水。水庫為土壩，壩高27米，長150米，壩頂海拔2060米。因為這裡是由謝家營的賈家莊、羅景的苟家河灘、寨子的黎家莊三個自然村形的沿川子，故又名沿川湖。

蘭州市共有十個土類，分屬七個土綱。全市土壤總面積1975.91萬畝，其中灰鈣土類佔67.15％，居絕對首位；其次是栗鈣土、灰褐土、黑壚土三類，所佔面積比例依次為8.73％、7.34％、6.91％；再次為黃綿土和灌淤土，所佔比例為4.01％和3.65％。其餘土類所佔比例極小。