เทือกเขาภูพานเป็นส่วนหนึ่งของหมวดหินโคราช ซึ่งประกอบด้วยหินทราย หินดินดาน และหินกรวดมนยุคมีโซโซอิก ลักษณะทางธรณีสัณฐานที่โดดเด่นคือลักษณะแบบภูเขาโต๊ะ ซึ่งมีลักษณะเป็นยอดราบและหน้าผาสูงชัน สิ่งนี้เกิดจากการยกตัวและการกัดเซาะเป็นเวลาหลายล้านปี ส่งผลให้เกิดโครงสร้างหินโค้งรูปโดมคว่ำที่เรียกว่า "โดมภูพาน" ซึ่งเป็นแหล่งกักเก็บทรัพยากรธรรมชาติที่สำคัญ