长白山走向为东北—西南，并且是松花江、图们江和鸭绿江的发源地。

中生代燕山运动使南北构造方向统一，形成华夏向山地基础。第三纪喜马拉雅运动又大规模挠折断块上升，同时伴有大量玄武岩喷出。山地主要由花岗岩、玄武岩、片麻岩和片岩组成，而以花岩分布面积最广。玄武岩主要分布在牡丹江流域和白头山周围。