乌苏大地构造属于天山—兴安地槽区准噶尔—天山褶皱系的一部分。南部山区为古生代地层，中生代和新生代第三纪地层沿山前陆续分布，第四纪广泛分布于平原地区。在地层分区上，乌苏市境内所出露的地层属于北天山地层区依连哈比尔尕小区和玛纳斯小区。占全市面积三分之二的平原地区均为第四纪覆盖，无基岩出露。境内岩石除各纪地层中大量沉积岩夹火山碎屑岩和少量浅变质岩外，其余为岩浆岩。岩浆岩以酸性为主，在空间上严格受不同性质结构面控制，随深度不同，粒度亦不同。散见于山区各处的岩脉有：石英闪长岩脉、角闪辉长岩脉、辉绿岩脉、长英岩脉等。全境的大地构造包括两个二级构造单元：平原区的北部属于准噶尔坳陷中的车排子镇隆起，平原区南部及北天山地区属于北天山优地槽褶皱带中的乌鲁木齐山前坳陷、依连哈比尔尕复向斜和婆罗科努复背斜。