تنقسم منطقة عسير من الناحية الجيولوجية إلى قسمين رئيسين متمايزين هما: الدرع العربي وجزء من سهول تهامة في الغرب، وجزء من الرف العربي في الشمال الشرقي. ويتألف الدرع العربي من الصخور النارية والمتحولة، وأما الرف العربي فيتألف من مجموعة مختلفة من الصخور الرسوبية والتكوينات الجيولوجية المختلفة التي ترسبت على هيئة طبقات رسوبية مائلة ميلاً خفيفًا نحو الشرق والشمال الشرقي؛ ولهذا فإن سماكة الرواسب تزداد تدريجيًا بالاتجاه نفسه.

 

 

الدرع العربي هو الأساس الذي بُنيت عليه الطبقات الرسوبية، وهو يتكون بصورة رئيسة من صخور جوفية (بلوتونية) قبل كمبرية ومتحولة، إلى جانب بعض هضاب البازلت من الزمن الثالث. وقد استقر هذا الدرع منذ العصر الكمبري  ،  وبفعل الحت تكوَّن سهل كبير ضم بعض الجبال المنفردة (Inselbergs)، وأصابت التعرية معظم هذا الدرع منذ الزمن الباليوزوي الوسيط حتى الزمن الثالث الوسيط، ليصير كتلة منخفضة التضاريس قريبة من مستوى سطح البحر. وقد تمخض عن تكوُّن البحر الأحمر في الزمن الثالث ارتفاعٌ في الدرع لا يزال مستمرًا، وتأثَّر بهذه العملية نظام الصرف؛ فالمصارف العميقة الضيقة التي تتحكم فيها بنية الأرض تتدفق خلال هذه الجروف شديدة الانحدار  ،  فالأودية التي تنحدر من الدرع العربي وتجري غربًا قد لا يتعدى طولها 120كم إلى البحر الأحمر، ولكن على العكس منها الأودية التي تجري إلى الشرق والشمال الشرقي، فقد يصل مدى مجراها إلى أكثر من 1200كم، ومن أمثلتها: وادي الرُّمَّة، ووادي الدَّواسِر  

 

ويشغل الدرع العربي معظم منطقة عسير ماعدا الجزء الشمالي الشرقي الذي تغطيه الصخور الرسوبية. وقد تعرض الدرع العربي خلال العصور الجيولوجية المختلفة إلى حركات واضطرابات باطنية، وإلى عوامل التعرية المختلفة حتى وصل إلى شكله الحالي. ويرتفع الدرع العربي بالاتجاه نحو الغرب، ويراوح ارتفاعه بين 1500 و 2430م تقريبًا فوق مستوى سطح البحر، وأقصى ارتفاع تبلغه هذه الجبال فوق سطح البحر في منطقة عسير وفي المملكة عمومًا هو 3015م في جبل السَّوْدة قرب أبها. وتغطي امتداداتٌ من الرمال الحافةَ الشرقية من الدرع العربي، كما يقطعه عدد من الأودية التي تنحدر نحو الأراضي المنخفضة في الشمال والشرق والجنوب، وقد تكونت هذه الأودية خلال الفترات المطيرة التي مرت بها شبه الجزيرة العربية  

 

 

 

يقع الرف العربي إلى الشرق من الدرع العربي، ويشكل ثلثي شبه الجزيرة العربية على وجه التقريب، وهو يميل بكامله ميلاً خفيفًا نحو الأحواض المجاورة. وفي وسط شبه الجزيرة العربية توجد طبقات الزمن الأول والزمن الثاني والزمن الثالث المنخفضة، وهي تظهر بشكل حزام منحنٍ عظيم.

 

ويشغل الرف العربي الجزء الشمالي الشرقي من منطقة عسير، وقد كانت مياه بحر تثس العظيم - فيما قبل الكمبري - تغطي الجزء الشرقي منها. ويتألف الرف العربي الرسوبي من مجموعة مختلفة من التكوينات الجيولوجية ترسبت خلال الأزمنة والعصور الجيولوجية المختلفة نتيجةً لانحسار مياه البحر، ويزداد سُمك هذه التكوينات كلما اتجهنا شرقًا من الدرع العربي نحو الخليج العربي