天桂山的西面与山西的盂县接壤，南面是著名的沕沕水生态旅游区，北面与平山县境内的第一高峰驼梁遥相呼应，其东面就是美丽富饶的华北平原，登上望海峰，可以遥望岗南水库和黄壁庄水库就象两颗明珠一样镶嵌在华北大地上
天桂山风景区处于新华夏构造体系太行山隆起带井陉凹陷的北缘，区内广泛出露古生界灰岩，仅在北部边缘三清峰、插旗垴北坡山脚有古老的太古界变质岩分布。此外，三清峰与插旗垴北坡二栈崖及险溢河、燕尾沟下游深切河谷底部两侧有中元古界长城系红色石英砂岩、砂质页岩出露。
古生界寒武系和奥陶系灰岩构成风景区山峰的主体，与下覆的中元古界长城系红色石英砂岩假整合接触。寒武系下统为灰黄、紫红色钙质白云岩、页岩；中统为灰黄、灰色中厚层竹叶状灰岩、鲕状灰岩及粉砂岩；上统为黄灰巨厚、厚层中晶白云岩、小竹叶状白云质灰岩及泥质条带灰岩。其上覆下中奥陶系地层，由厚层灰岩和豹皮灰岩等岩性构成，出露于杀九坨一草垛山山脊及南部省界山脊一线，与寒武系地层整合接触。
风景区内喀斯特地貌特点，一是类型多种多样；二是地貌发育典型；三是具有较高美学观赏和科学研究价值。由于受暖温带气候（主要是气温和降水量）的制约，这里的喀斯特地貌发育程度不如热带和亚热带，但从整体看，这里既有奇峰怪石，也有地质历史上发育的喀斯特溶洞，地貌类型比较多。
风景区内山势多呈东西走向，由北向南，山与谷地依次为：大天桥－－小天桥－－插旗垴－－三清峰－－望海峰等；燕尾沟谷地；杀九坨－－翠屏山－－草垛山；井子峪－－沕沕水谷地；黑狗尖向东南沿省界延伸的山脊，呈现出三山夹两谷（沟）的地貌格局，其东缘为险溢河谷地。山间次一级小支沟发育，且切割侵蚀强烈，加之断崖崩塌等内外营力共同作用，形成了山高谷深，地形破碎的地形特点。又由于地壳在新构造运动中强烈阶段性抬升，这里岩层又近于水平，山体多呈阶梯状陡崖狭栈形态，有的山顶残留夷平面，成平顶山，有的进一步发育，山顶脊线呈梁状的墙状山，还有峰丛、孤峰等。山崖边缘常见造型怪石地貌及大小不等的溶洞、天缝、天生桥等暖温带典型的喀斯特地貌类型。
