嵩山岩石演变完整，太古宙、元古宙、古生代、中生代、新生代的地层和岩石均有出露，被地质学界称为“五世同堂”（在地球发展历史上，历太古代、元古代、古生代、中生代、新生代五代，习称为“五世同堂”）。

据中国地质界测定，这里是世界上稀有的自然地质宝库。嵩山古生物化石十分丰富，在嵩山既有海相生物化石，也有陆相生物化石，还有古脊椎动物化石。

据中外地质学家考察，在古老的太古宙时期，嵩山是一望无际的大海；在经历了二十三亿年前的“嵩阳运动”，八亿年前的“中岳运动”，五、六亿年前的“少林运动”，三次大的地壳运动之后，逐渐形成了山脉。

大约距今23亿年前，嵩山地壳发生了一次剧烈运动，地质学家们管这次运动叫“嵩阳运动”。“嵩阳运动”之后，地壳开始下沉到海平面以下，接受了巨厚的嵩山群底层的沉积。

在距今18亿年前后，地壳又发生了一次变动，巨厚的石英砂岩开始慢慢隆起，并且褶皱成山。这一次地壳运动的推挤力量来自东西方向，所以嵩山群的地层都被推挤成走向接近南北的褶皱了。

嵩山在不到20平方公里内清晰地保存着发生在距今23亿年、18亿年和5.7亿年的三次构造运动的遗迹，其不整合接触面清晰，变质变形遗迹多姿多彩。

嵩山的山体岩石复杂繁多，主要是石英岩岩层。经地质学家研究，嵩山的基底岩石形成于地球发展的早期阶段，它们可能是那时候大量火山、岩浆活动的产物。

褶皱作用十分强烈，有的岩层甚至被挤得直立了起来。这在太室山和少室山的南侧都可以见到。这一次地壳运动被称为“中岳运动”。中岳运动也发生了一些断层。