吕梁山脉的地质构造为吕梁背斜褶皱断块山地。向北伸为两支,近东北方向为管涔山和芦芽山,其东面为云中山,向东北至雁门关与恒山相接。中段为关帝山,主峰位于太原西方,海拔2831米,又名南阳山。南段为火焰山、龙门山,端点为黄河东岸的禹门口。吕梁山脉西坡有厚层的黄土堆积,水土流失严重,是黄河中游重点产沙区之一。山脉东翼为断层构造,山势陡峻,俯瞰汾河地堑中的忻州、太原、临汾盆地。山脉中高峰海拔多在2500米以上,对区域气候有明显的作用。