Veľká Fatra je jedným z najväčších jadrových pohorí kryštalicko-druhohorného pásma vnútorných Západných Karpát vo Fatransko-tatranskej oblasti. Kryštalické jadro, budované prevažne granitoidnými horninami (žuly, miestami kryštalické bridlice), vystupuje na povrch len na malej ploche v severnej časti pohoria. Druhohorné súvrstvia vytvárajú sedimentárny obal kryštalického jadra a majú zložitú stavbu. Veľká Fatra je klasickou ukážkou príkrovovej stavby pohoria a na jej geologickej stavbe sa podieľajú základné tektonické jednotky ako sú tatricum, krížňanský príkrov, chočský príkrov, gemericum - príkrov Tlstej. Okrem prevažujúcich vápnitých honín (dolomity a vápence) sa uplatňujú i sliene, slienité vápence, bridlice, kremence, zlepence, pieskovce a iné horniny. Priľahlá Turčianska kotlina leží na neogénnych horninách.

Horniny krížňanského príkrovu tvoria hlavne Hôľnu Fatru s hladkými, mäkko modelovanými svahmi na menej odolných slieňovcoch, slienitých vápencoch, zlepencoch a bridliciach, ktoré budujú aj hlavný chrbát (oblasť Krížnej 1574 m n.m., Ploskej 1532 m n.m. a Ostredka 1592 m n.m.). Medzi nimi vystupujú aj odolné dolomity a vápence. Z masívneho hôľneho reliéfu takto vystupujú príkrovové trosky triasových vápencov chočského príkrovu (napr. Suchý vrch). Veľká časť týchto hrebeňov je odlesnená a horské lúky a pasienky vytvárajú typický charakter územia, podľa ktorého bol i pomenovaný tento oddiel Veľkej Fatry. Strmé hladké trávnaté svahy a žľaby Hôľnej Fatry sú silne lavinózne. Krížňanský príkrov buduje aj prevažnú časť oddielu Lysca.
S hôľnym reliéfom ostro kontrastuje Bralná Fatra, ktorú tvoria mohutné komplexy tvrdých hornín chočského príkrovu (najmä vápence a dolomity) s prevahou bralného reliéfu so skalnými stenami, stupňami, bralnatými stráňami, vežami, skalnými oknami, tiesňavami a kaňonovitými dolinami. V západnej časti Veľkej Fatry sa zvetrávaním a eróziou vytvorili vyhľadávané pôsobivé scenérie na svahoch Gaderskej, Blatnickej či Belianskej doliny spolu s ich krasovými javmi, puklinovými, puklinovo-eróznymi alebo horizontálnymi riečnymi jaskyňami, previsovými jaskyňami alebo skalnými prevismi. Nachádza sa tu niekoľko desiatok jaskynných sústav a najvýznamnejšie jaskyne sú Mažarná, Piesková, Hubná, Guľôčková a v Belianskom krase najdlhšia jaskyňa Suchá. V niektorých kaňonovitých dolinách sa vyskytujú aj menšie či väčšie vodopády, prevažne občasného, sezónneho charakteru.

Na severnej a východnej hranici pohoria sa nachádzajú rozsiahle usadeniny travertínov. Najvýznamnejšie lokality sa nachádzajú medzi Ružomberkom a Podsuchou. Prebieha tu línia hlbokých zlomov, ktoré spolu s priaznivými štruktúrnogeologickými podmienkami spôsobili vyvieranie minerálnych prameňov a jednu z najväčších sedimentácií travertínov u nás. Sú tu recentné penovce aj staré interglaciálne travertíny. Vytvorili sa tu povrchové i podzemné krasové javy - vodopády, terasové stupne, kopy a jaskyne. Viaceré sú zákonom chránené a vyhlásené za prírodné pamiatky: PP Bukovinka, PP Jazierske travertíny. Zaujímavé útvary sa nachádzajú aj v oblasti Rojkova a Stankovian, kde sa vytvorilo jazierko a travertínová kopa, vyhlásená za prírodnu pamiatku.

Reliéf Veľkej Fatry je značne členitý pri veľkom výškovom rozpätí a radí sa medzi vysoké hornatiny. Územie je náchylné na eróziu, ku ktorej prispieva okrem sklonitosti, klímy a pôdnych vlastností aj sprístupňovanie lesov cestami, ťažba dreva, pasenie dobytka nad hornou hranicou lesa i turistika.

Turčianska kotlina je typom hlbokej, celistvej tektonickej depresie s rázom priekopovej prepadliny, vyplnenej prevažne kvartérnymi sedimentami. Hladko modelovaný, prevažne rovinný až stredne zvlnený reliéf s terasami a náplavovými kužeľmi v podhorí v Mošovskej pahorkatine vytvára charakter esteticky a krajinársky vyváženej poľnohospodársky využívanej krajiny.

Klíma a vodstvo

Klimaticky patrí územie do mierne teplej a chladnej horskej oblasti s výraznou geografickou výškovou stupňovitosťou, najvyššie časti Veľkej Fatry patria do studenej až veľmi studenej klimatickej oblasti. Územie má horský zrážkový režim s množstvom zrážok 800 až 1200 mm. Celé územie sa vyznačuje bohatstvom povrchových i podzemných vôd, ktoré sa sústreďujú predovšetkým vo vápencových horninách a viaceré pramene sa využívajú na zásobovanie obyvateľstva pitnou vodou. Veľká Fatra bola v roku 1987 vyhlásená za chránenú oblasť prirodzenej akumulácie vôd.