狭山丘陵
基盤となる地層は狭山層と呼ばれる洪積層(下位を三ツ木礫層、上位を谷ツ粘土層と分ける)。その形成は当初、新第三紀最終の鮮新世とされていたが、後にゾウの化石が発見されたことにより、新生代前期更新世(180万-100万年前)に始まったと考えられている。この地層は、関東造盆地運動のために傾斜し、上位の地層とは不整合になっている。
以降は海水準変動を経て一時的に海底になったが概ね陸地であったとされ、西側の山地から古多摩川による砂礫が、南の古相模川のものとともに扇状地状に厚く堆積し、最も海面が低下した最終氷期(ウルム氷期では7万年 - 1万年前)までに隆起扇状地および洪積台地を形成した。この当時の河川は概ね南西から北東に流れており、荒川上流や入間川、不老川、黒目川(多摩丘陵では乞田川、南浅川など)の現在の流れの方向はそれを示唆している(この時期に成立した台地面を多摩面と称している)。
関東平野の南部が隆起するに従って、扇頂である現在の青梅付近から古多摩川の河道は北東から南東に向きを変え、河岸段丘を作りながら河谷を下げて、多摩面の台地を現・多摩川の流れが分かち、南の多摩丘陵と分かれて北側に島状に残ったものが狭山丘陵である。同じころに活発化した火山活動により、富士山のものを主とする火山灰が多摩面の上に厚く堆積して関東ローム層(古い下層から順に下末吉層、武蔵野層、立川層とよばれる)となった。現在の扇頂の青梅付近の標高がおよそ 180m なのに比して、狭山丘陵の西端部では 194m もの標高がある(東部ではおよそ 90m 前後)。台地との比高は 40m - 50m ほどある。
狭山丘陵の西端部を北西から南東方向に箱根ヶ崎断層が走っている。