[[ File:湖南八面山12.jpg|thumb|right| [http://img1.voc.com.cn/UpLoadFile/2017/07/17/201707172041129522.jpg 原图链接] [http://zt.voc.com.cn/Topic/article/201707/201707181100247612.html 本图片来源于华声专题网] ]]

该区内从震旦系至志留系长达四系的地质历史时期曾是一片海洋，为一个湘中、湘东南“华夏古陆”的边缘古海槽沉积区，而我省西北部的雪峰山一带为江南古陆，区内接受了从古陆上携带下来的泥沙和有机物等，堆积了区厚的浅海碎屑岩建造。志留纪末，加里东运动表现为大面积的上升运动，海水退却，隆起为陆。而且，它经南北向强烈的水平挤压力，引起东西向和北西向的褶皱、断裂，出现了蛮人坳—带东西向岭脊和北西向断裂的形迹；并使震旦系、寒武系、奥陶系地层发生区域变质作用，成为变质程度不深，结晶程度不高的浅变质岩系。后来，地壳相对下降为水，沉积了泥纪中统跳马涧组砂砾岩。中三迭纪末的印支运动，表现为强烈的挤压褶皱，产生长约45公里的水口——八面山一带的S状旋卷构造。中侏罗统末发生的燕山运动，表现为明显的断块运动，形成了近南北向的褶皱山。这种南北向构造迭加了古老的东西向构造，而使褶皱、断裂复杂化。伴随这次运动是接连几次的中酸性岩浆侵入。其中，第一次桃寮花岗岩侵入皮山里向斜，规模比较大；第二次侵入本区未有出露；第三次侵入规模较小，在军营铺和小屋溪一带出露了一系列小岩株。此后，其热液顺裂隙和带理灌入，形成石英脉、花岗伟晶等；地壳不断上升，八面山掘起成为山原形态。燕山运动后，构造运动以间歇性抗升剥蚀夷平，造成现在所见的海拔1000米以上五级剥夷面，形成八面山“H”形地貌轮廓的雏型。晚第三纪开始的新构造运动继承了燕山运动的特征，继续断块上升，且明显地表现为间歇性和差异性的特点，使境内海拔1000米以上的五级剥夷面上升到现在的高度，而呈现出现在的地貌基本轮廓。由于一系列地地质构造运动，坚硬的岩石不易风化，多发育垂直节理和劈理，坡上风化物少，且难以堆积而土层浅薄，其中以40~80厘米厚为最多，土壤的水分、有机质滞留困难，特别是阳坡。

湖南八面山国家级自然保护区的地貌类型是以纵谷岭脊和横谷岭脊为主的中山地貌，海拔1000米以上的山峰有1600座，最低海拔800米，最高海拔2051米，高差达1200多米。全区东西两边大致是南北向的山脊，中间是三平行排列的溪谷，为纵谷岭脊地貌类型。

其地貌的基本特点是：东西两边高中间低，中部突起，向南北倾斜，呈现“H”型轮廓；地表切割强烈，山陡坡度大。一般切割深度达500~800米，最大达1100多米。沟谷多呈“V”、“U”形的峡谷。纵谷较长，与主山脊线基本平行排列；地势起伏大，背风和向风、阴坡和阳坡差异显著。

本区成土母质母岩有变质岩(如砂质板岩)、沉积岩(如砂岩)和岩浆岩(如花岗岩)三大类。这些成土母质母岩在水、热条件和生物作用下，经过长期淋溶过程和湿润森林植物区系的生物积累过程的物质能量的交换和转化，结果形成具自然肥力的土壤。保护区内土壤根据湖南省土壤分类系统，可分为山地黄壤、山地黄棕壤、山地灌丛草甸土和水稻土4个土类、6个亚类、17个土属。由于保护区地貌起伏，引起山地气候的垂直变异，便产生了植被的垂直地带性，同时，也就形成了土壤垂直带谱明显，根据调查结果，保护区海拔1300米以下为山地黄壤的主要分布区，海拔1300~1800米以山地黄棕壤为主，海拔1800米以上为山地灌丛草甸土。

山地黄壤为本区基带性土壤类型，一般较深厚肥沃，土壤质地在轻壤——重壤之间，表土层有机质含量为6.51%左右，pH值为4.90~5.80。山地黄棕壤属于北亚热带生物气候条件下形成的地带性土壤，本区分布面积较大，土壤厚度为50~110厘米，质地变化大，结构多为粒状、小块状和块状，土体较疏松，表土层有机质含量为9.54%左右，PH值为4.0~5.52。山地灌丛草甸土，多为砂岩风化的残积或坡积物，土壤层次发育不完全，粗骨性明显，土层厚度多为30~40厘米，呈棕黑色，表土层有机质含量在9.0%以上，全氮量为0.35%，速效氮321ppm，可见土壤自然肥力较高，pH值为4.5~4.9。

八面山水系为湘江水系的重要组成部分，是湘江一级支流洣水和耒水的重要发源地。由于八面山呈东西两边高中间低，中部突起，向南北倾斜，呈现“H”型轮廓的地貌特点，使得其主要溪流被围于中间，发源于保护区的中部，自此分别流向南北两个方向。桃寮水、脚盆寮水、水斜水向北方汇入炎陵县斜濑水，流入洣水，注入湘江。青山水、左溪、东水、西水、彩洞河向南方汇入淇水，流入东江水库，经耒水注入湘江。