八溝山地はこれまで、秩父（ちちぶ）古生層とみられていたが、中生代説が定説となっている。堆積岩である砂岩・頁岩・礫岩・チャート等からできている。地層は西に20゜～25゜傾斜している。
西方から見た八溝
『栃木県新誌』（日本書院）
奥田久著による
山地の東側には北部に大笹山（おおささやま）断層崖が急斜面を作り、中部では久慈川（くじがわ）の断層谷で、阿武隈（あぶくま）山地の南端にある久慈山脈と境している。西側は南に流れる那珂川の谷から益子（ましこ）・真壁（まかべ）（茨城県）と結ぶ線に沿う約六十kmの八溝山断層崖で鬼怒川（きぬがわ）地溝帯に終っている。
八溝山地は四つの横谷で五つの山塊にわけられている。横谷は北から馬頭（ばとう）・大子（だいご）（茨城県）間の明神（みょうじん）峠（二一三メートル）、この南の鷲子（とりのこ）峠（二八七メートル）がある鞍部・茂木（もてぎ）・御前山（茨城県）間の境明神（二一三メートル）間の那珂川の横谷、水戸（みと）線の通る盆地列の谷である。
五つの山塊は北から八溝山塊・鷲子（とりのこ）山塊・八里（やさと）山塊・筑波（つくば）山塊とよばれる。（栃木県新誌による）