由河南省地质十一队在徐山所采花岗斑岩样品，经地质矿产部宜昌地质研究所用“全岩法”测定，芒砀山区的形成属燕山中晚期，距今0.8—1.37亿年。芒砀山主要由石灰岩、细晶岩等构成。芒砀山主峰从山顶到山前平地依次分布淡石土、灰石土、褐土性土、潮褐土、淤土。

芒砀群山为剥蚀残丘地貌，共有大小山丘20余座。芒砀山主峰居中，海拔高度156.8米。其中保安山、立山南峙，僖山东耸，黄土山、铁角山、夫子山、陶山西立，磨山、马山、徐山、周山、王山、鱼山等在北部逶迤棋布。

芒砀山区属暖温带季风气候，四季分明，光照充足，年平均气温14.34℃，年平均降雨量为871.3毫米，雨量充沛，气温适中。碱河、王引河穿境而过。

据历史学家考证，古代的芒砀山地区是一片泽国，薛湖、滦湖南绕，丰西泽、沛泽北环，西边是孟渚泽，东边有沙泽、余泽，砀水、获水、谷水、睢水、泡水等河流纵横其间，芒砀山周边全部是原始森林，郁郁葱葱，芒砀山也因此显得更为清秀与峻拔，也成为农业、渔业相对发达的地区，《水经注》记载“山有梁孝王墓，或（获）水又东，谷水注之。水上呈砀坡，坡中有香城，城在四水之中，承诸坡流散，为零水、澴水、清水也，即而成潭，谓之砀水。”

逶迤起伏的芒砀山是千里豫东平原上唯一的山群，占据茫茫豫东平原制高点，素有“仙女峰”之美称。平地突起，如蛟龙腾跃，虽不高峻，然孤峰鹤立，尤显峭拔，是进入中原的天然屏障，因此自古即兵家必争之地，贵族也视为风水宝地。历史悠久，遗迹彼丰。尤其是秦汉文化遗存，被誉为汉文化博物馆。芒砀山汉文化景区现对外开放的共四大景区：保安山王陵景区、汉兴源景区、夫子山景区、陈胜王陵景区。 因距离黄河较近，历史上屡受其泛滥之害，黄河数次大决口，泥沙汹涌而下，最终将芒砀山周边的河流湖泊连同芒砀古城淤积于地下。