ภูกระดึงเป็นภูเขาหินทรายยอดตัด ตั้งอยู่ทางตะวันตกเฉียงเหนือของที่ราบสูงโคราช ใกล้กับด้านลาดทางทิศตะวันออกของเทือกเขาเพชรบูรณ์ พื้นที่ส่วนใหญ่ของภูเขามีความสูงจากระดับน้ำทะเล 400-1,200 เมตรส่วนฐานหรือเชิงเขาเริ่มจากจุดต่ำสุดของพื้นที่ที่ระดับความสูง 260 เมตรไปจนถึงระดับความสูง 400 เมตร มีลักษณะเป็นที่ราบเชิงเขาล้อมรอบตัวภูกระดึง และพื้นที่ที่อยู่ในระดับที่สูงขึ้นมีสภาพลาดชันยกตัวขึ้นเป็นขอบเขาและหน้าผาสูงชัน[4] พื้นที่ราบบนยอดตัดของภูเขามีพื้นที่ประมาณ 60 ตารางกิโลเมตร (37,500 ไร่) มีลักษณะคล้ายรูใบบอนหรือรูปหัวใจเมื่อมองจากด้านบน มีส่วนปลายใบอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงใต้และส่วนเว้าด้านในอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือ พื้นที่ราบบนเขาประกอบด้วยเนินเตี้ยๆ ยอดที่สูงที่สุดอยู่ที่บริเวณ คอกเมย สูงจากระดับน้ำทะเลประมาณ 1,316 เมตร[4] สภาพพื้นที่ราบบนยอดภูกระดึงมีส่วนสูงอยู่ทางด้านตะวันตกและตะวันออกเฉียงใต้ และจะค่อยๆลาดเทลงมาทางทิศตะวันตกเฉียงเหนือ ทำให้ลำธารสายต่างๆบนภูเขาไหลไปรวมกันทางด้านนี้ กลายเป็นแหล่งต้นน้ำของลำน้ำพอง[5][6]

ภูกระดึงเกิดขึ้นในมหายุคมีโซโซอิก มีลักษณะโครงสร้างทางธรณีเป็นหินในชุดโคราช ประกอบด้วยชั้นหิน: หมวดหินภูพานเป็นหินชั้นที่มีอายุน้อยที่สุดอยู่ชั้นบนสุดของโครงสร้างภูกระดึง พบทั่วไปบนหลังแปหรือที่ระดับความสูงตั้งแต่ 990 เมตรขึ้นไป หมวดหินเสาขัวพบตั้งแต่ระดับความสูง 600 เมตรขึ้นไป หมวดหินพระวิหารพบในระดับความสูง 400–600 เมตรและ หมวดหินภูกระดึงเป็นหินชั้นฐานของโครงสร้างภูกระดึง[4]