تنقسم منطقة تبوك من الناحية الجيولوجية إلى قسمين رئيسين متمايزين هما: الدرع العربي في الغرب، والرف العربي في الشرق. ويتألف الدرع العربي من الصخور النارية والمتحولة. كما يتألف الرف العربي من مجموعة مختلفة من الصخور الرسوبية والتكوينات الجيولوجية المختلفة التي أُرسبت على هيئة طبقات رسوبية مائلة ميلاً خفيفًا نحو الشرق والشمال الشرقي؛ ولهذا فسماكة الرواسب تزداد تدريجيًا في الاتجاه نفسه، فالدرع 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  .  وبعد ذلك تكوَّن سهل تحاتي كبير ضم بعض الجبال المنفردة، 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 ارتفاع في الدرع لا يزال مستمرًا، وتأثر 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 الرُّمّة ووَادِي الدَّوَاسِر  

 

ويشغل الدرع العربي القسم الغربي من منطقة تبوك، وقد تعرض خلال العصور الجيولوجية المختلفة إلى حركات واضطرابات باطنية، وإلى عوامل التعرية المختلفة مما نتج عنه شكله الحالي. ويرتفع الدرع العربي بالاتجاه نحو الغرب، ويراوح ارتفاعه بين 1000 و 2430م تقريبًا فوق مستوى سطح البحر، وتغطي امتدادات من الرمال الحافة 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 الجزيرة العربية  

 

أما الرف العربي فيقع إلى الشرق من الدرع العربي، حيث يشكل ثلثي شبه جزيرة العرب على وجه التقريب، فعلى هذه القاعدة شبه السهلية تقع سلسلة من الصخور الرسوبية القارية ضحلة المياه الجوفية. ويميل الرف العربي كله ميلاً خفيفًا نحو الأحواض المجاورة. وفي وسط شبه الجزيرة العربية نجد طبقات الزمن الأول والثاني والثالث المنخفضة، تظهر في شكل حزام منحنٍ عظيم.

 

ويشغل الرف العربي الجزء الشرقي من منطقة تبوك، 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 نتيجة لانحسار مياه البحر، ويزداد سمك هذه التكوينات كلما اتجهنا شرقًا من الدرع العربي نحو الخليج العربي كما توضح (خريطة 3)