ธรณีแอ่นตัว (อังกฤษ: Geosyncline) หมายถึง ภูมิภาคของโลกส่วนที่แอ่นตัวลงลึกจนเกิดเป็นที่รองรับน้ำ และสะสมสิ่งทับถมจำนวนมากจากผิวโลกได้ การสะสมในบริเวณนี้ดำเนินไปตามช่วงเวลาทางธรณีที่ยาวนานมาก พร้อม ๆ กับพื้นดินที่รองรับสิ่งทับถมทรุดต่ำลงทีละน้อย ๆ ด้วย จึงทำให้ชั้นหินที่สะสมในบริเวณนี้หนามาก นอกจากนี้ยังมักจะมีหินภูเขาไฟสะสมปะปนด้วยเสมอ หินชั้นในธรณีแอ่นตัวหลายแห่งต่อมาได้โค้งตัวเกิดเป็นภูเขาในลักษณะที่มีลอนหลายขนาดอยู่ในธรณีโค้งตัว (Geanticline) ซึ่งเป็นโค้งใหญ่ ภูเขาที่เกิดในลักษณะนี้ เช่น เทือกเขาแอปปาเลเชียน (Appalachian Mountain) ซึ่งอยู่ด้านตะวันออกของอเมริกาเหนือ