大兴安岭山地属新华夏系第三起带。地面组成物质以花岗岩、石英粗面岩和安山岩为主，其中花岗岩面积量大，在山地轴部边缘及河谷中有玄武岩分布。大兴安岭脊部从地区西部通过，大兴安岭支脉伊勒呼里山东西走向，把大兴安岭地区分为岭南和岭北两个地域，同时也是黑龙江流域和嫩江流域的分水岭。总的地势是西高、东低，中间高、南北低，西部坡度陡，东部坡度缓，南部坡度陡，北部坡度缓。

山地起伏和缓，一般山地较平呈准平原状态。最高海拨１５２８、７米，位于呼中区南部边位于呼中区南部边缘的伊勒呼里山山脉，最低海拔不到１５０米（位于呼玛县与黑河市的交接处的黑龙江国境线处）。

地貌形态主要有中山、低山、丘陵和山间盆地组成。中山区相对海拔３００～５００米，主要分布在西部和中部的呼中区、新林区的西部、塔河县的南部地区，地形起伏大、切割深；低山区相对海拔２００～３００米，主要分布在漠河县的南部，新林区的东部、塔河县的中部和呼玛县的西南部及松岭区的北部地区；丘陵区相对海拔５０～２００米，主要分布在黑龙江沿岸和嫩江沿岸地区；山间盆地分布于河谷地带，河谷宽、谷地狭窄，直线河谷较多。在全区土地面积中，中山区面积占３、８％，低山区面积占４９、６％，丘陵和山间盆地面积占４６、６％。