趵突泉上游的山區是由石灰岩組成的，而平原的泥土底下也隱藏着岩漿岩。山區的石灰岩大約是在4億年前形成的，其質地比較純，以大約30度的斜度由南向北傾斜。石灰岩本身有空隙、裂隙和洞穴，能儲存和輸送地下水，地下水順着石灰岩層的傾斜，大量地流向下游，在平原下的岩漿岩組織緊密，地下水流到這裏後碰到岩漿岩的阻擋就流不過去，加上岩漿岩上又覆蓋着一層不透水的粘土層，地下水就不能自由地流向下游，這些被攔阻的大量地下水憑着強大的壓力，從地下的裂隙中涌上地面，就形成了趵突泉。
