乌鞘岭隧道地层岩性复杂,沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有,且以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。区内出露地层主要有第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩、志留系、奥陶系变质岩，并伴有加里东晚期闪长岩侵入体。隧道横穿祁连褶皱系的北祁连伏地褶皱带和走廊过渡带两个次级构造单元, 褶皱及断裂构造发育。

主要不良地质为有害气体，湿陷性黄土和膨胀岩。隧道预计最大涌水量为9621.81m ，施工中可能发生围岩失稳，突然涌水涌泥、岩爆、热害、含煤层有害气体等地质灾害情况。隧道结构设计充分考虑了洞身不同的地质情况和特殊施工环境，设计了各型衬砌结构类型供施工选用，针对性较强。结构安全度根据有关单位的意见，相对一般结构设计留有较多的余地。

隧道穿越了四条大区域性断层，即F4、F5、F6、F7断层，均处在7535米长的越地岭段，断层带累计1565米，其中F7大断层属压性断层(地震带)，全长852米，地质极为破碎，是乌鞘岭隧道施工中最为复杂的地质地段，施工中可能发生围岩失稳，突然涌水、涌泥、岩爆、热害、含煤层有害气体等地质灾害情况。。越岭段穿越奥陶系安山岩、三叠系砂岩夹页岩、加里东晚期闪长岩、奥陶系板岩夹千枚岩，沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类四套地层及断层构造岩，且以沉积岩为主。主要不良地质为有害气体，湿陷性黄土和膨胀岩。隧道通过中等富水区(奥陶系、志留系及断层带)、弱富水区(三叠系)与贫富水区(加里东期闪长岩)三大水文地质分区。因工程地质、水文地质条件复杂，施工难度大，被地质专家称之为"地质迷宫"、"地质博物馆"。