衡山作为华夏五岳中的南岳，其地质历史可追溯至距今约2亿年前的印支运动时期。山体主体由燕山期花岗岩构成，其中穿插着多条石英岩脉和断裂带。最具代表性的"衡山断裂带"呈北东向延伸，形成了独特的阶梯状地貌。在祝融峰一带，可见明显的岩层褶皱现象，这些波状起伏的岩层如同大地书写的地质日记，记录了古特提斯洋闭合时的碰撞应力。
第四纪冰川在衡山留下了深刻烙印。海拔1000米以上的区域分布着典型的冰斗地貌，如藏经殿附近的"莲花冰斗"，其碗状形态保存完整。在芙蓉峰至紫盖峰的山脊线上，可见数列平行排列的冰蚀槽谷，最宽处达200余米。这些U型谷中堆积的冰碛物经碳14测定，证实了距今约30万年前的庐山冰期活动。值得注意的是，衡山冰川遗迹与云南玉龙山、台湾玉山形成南北呼应，为研究东亚古气候变化提供了关键链环。
衡山水系发育呈现典型的放射状格局，36源泉水脉皆源于花岗岩裂隙水。其中"水帘洞"泉群每日涌水量达3000立方米，水温常年保持在18℃左右，其氡含量达到医疗矿泉水标准。岩体中的节理系统造就了"一线天"等狭缝型峡谷，最窄处仅容一人侧身通过。近年来通过探地雷达探测，在祝融峰地下发现深达80米的垂直裂隙系统，这些地下河道仍在持续塑造着山体的喀斯特地貌。
现代测量数据显示，衡山正以每年0.5-1.2毫米的速度持续隆升。GPS监测站记录到山体存在逆时针旋转运动，年位移量约2-3毫米。这种活跃的构造运动使得温泉地热资源不断更新，南岳镇附近的温泉井水温已从1980年代的42℃升至现今的47℃。值得注意的是，衡山地区微地震频发，近十年记录到里氏2级以下地震百余次，这种"地震蠕变"现象正是地块活动的直观表现。
独特的地质条件孕育了特殊的生态系统。花岗岩风化形成的酸性土壤适合杜鹃花科植物生长，已发现73种特有杜鹃品种。在海拔800米以上的岩壁缝隙中，生长着被称为"植物活化石"的衡山鳞毛蕨，其根系能分泌有机酸加速岩石风化。这种生物-地质相互作用形成了正反馈循环：岩裂隙为植物提供生长空间，植物代谢又促进新土壤生成。近年开展的岩生植物驯化项目，成功将12种衡山特有植物应用于石漠化治理。
衡山地质公园已建立三维激光扫描监测系统，对57处重要地质遗迹进行毫米级变形监测。通过与中南大学合作，在紫盖峰安装了深部应变仪，可探测地下500米处的岩体应力变化。2023年启动的"南岳岩芯计划"钻取到深度达300米的连续岩芯，其中发现的锆石晶体为精确测定造山运动时间提供了关键样本。这些研究不仅揭示衡山演化奥秘，更为全球花岗岩地貌研究树立了新范式。
