壽山在180萬年前沉積形成最早的「古亭坑層」，為惡地地形，主要由深灰色泥岩所組成，插入一些細緻中粒的鬆散砂岩，易遇水軟化。約在125萬年前，壽山為淺水區域，生長大量之珊瑚、藻類、有孔蟲和貝殼，遺骸形成堅硬的石灰岩，覆蓋在古亭坑層上，形成所謂的「高雄石灰岩」，構成壽山的內部主體。後期侵蝕作用帶來大量泥沙沉積，珊瑚無法生存，珊瑚礁不再形成，此時形成砂岩及泥岩組成之「崎腳層」。後來岩層受到擠壓，發生隆起、褶皺、斷層和節理，高雄石灰岩崩落，岩塊堆積在壽山東南部，形成壽山石灰岩。經過風化、侵蝕和雨水的沖刷，帶走石灰岩旁的軟弱岩，使石灰岩更為突顯，造成壽山隨處可見嶙峋的礁岩、洞穴、峽谷、斷崖等地形。經歷長時間溶蝕的結果，使當地形成許多石灰岩洞，洞內可看到由碳酸鈣沉澱形成的鐘乳石、石筍、石柱，景觀十分奇特。