库尔勒市由北向南跨越了南天山冒地槽褶皱带和塔里木地台两个性质不同的大地构造单元，辛格尔深断裂（西段称艾西买依根大断层）为这两个构造单元的分界线。

库尔勒市中部及南部为塔里木盆地北缘开阔的冲积、洪积平原和风积沙丘地带，地表全为第四东松散沉积物。北部为霍拉山及库鲁克山山区，由于地质构造运动及沉积环境的影响，地层出露不够齐全。 按地质单元，库尔勒市的工程地质分区可以划为基岩山区、山前倾斜洪积平原区、三角洲中上部区、三角洲下部及洪积细土平原区4个区域。

库尔勒位于塔里木盆地边缘，多风蚀地貌即雅丹地貌，成因是风力侵蚀作用形成的。