臺灣位居歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交接處，百萬年來不停的造山運動、地層擠壓，造就許多高山峻嶺，而雪山山脈位於中央山脈的西側，呈東北—西南走向。雖然雪山山脈長達180餘公里，但因受到大漢溪、大安溪及大甲溪的侵蝕，而將此地域切割成北部的阿玉山階段山地、中部的雪山地壘以及南部的埔里陷落區。雪霸國家公園正位於雪山山脈最主要的一段——雪山地壘，地壘內的主要山峰由北至南包括大霸尖山、武陵四秀(品田山、池有山、桃山、喀拉業山)、雪山、志佳陽大山、大劍山、頭鷹山、大雪山等，3,000公尺以上的高山就有51座，名列臺灣百岳者共有19座，以雪山和大霸尖山最具代表。

大霸尖山高3,492公尺，臺灣舊誌稱為「熬酒桶山」，由於其山形特殊，山容壯麗，是雪山地壘北側最突出的山峰，素有「世紀奇峰」之美譽。相傳為泰雅族與賽夏族祖先發祥之靈峰。相距僅700公尺的小霸尖山比鄰而立，形如雙耳，泰雅人稱雙耳嶽。

雪山海拔高3,886公尺，為雪山山脈的最高峰，是臺灣地區的第二高峰。而「雪山」的名稱主要自泰雅族人普遍的稱呼——「Sekoan」，譯音為「雪高翁山」，後來簡稱為「雪翁山」或「雪山」。乃因泰雅族見到雪山南面的岩壁一直在崩裂直瀉，形成縱斷裂溝，而將此特殊地形命名之，意為「岩壁的裂溝」。

雪山周圍最惹人注目也最引起爭議的地理景觀，正是雪山山彙周圍的大崩壁。雪山主峰的東北側下方，呈東北方向開口長橢圓形窪地，日籍地理學者認為是圓谷(冰斗)地形。

雪山地壘以雪山為中心，呈放射狀分歧，大致可分為六道稜脈，分別為主稜(大雪山稜脈)、南支稜(雪劍稜脈)、北稜(雪霸稜脈)、北東支稜(桃山稜脈)、東南支稜(志佳陽大山稜脈)、及東支稜(雪山東峰稜脈)。其中在布秀蘭山附近由北稜向東分出的稜脈，經過品田山、池有山、桃山到喀拉業山以後止於蘭陽溪，也就是著名的「武陵四秀」；而從雪山到大霸尖山這段十餘公里南北縱向的稜脊，是雪山山彙中最高峻的一段稜脈，一直都受到登山探險者和原住民文化活動無限崇敬，大霸尖山首登者沼井鐵太郎不禁讚歎地寫下「這神聖的稜線啊，誰能真正地完成這大霸尖山至雪山的縱走，戴上勝利的榮冠，敘說首次完成縱走的真與美！」，因此自1928年起將這段山稜稱為「聖稜線」。

雪山山脈由始新世至中新世之板岩及變質砂岩為主之岩系構成，出露之岩層為始新世至中新世的輕度變質岩，變質程度由東南向西北漸減，因此雪霸國家公園區內的岩類主要以變質砂岩、硬頁岩及板岩為主。

歷經更新世以來的造山運動，由於受到來自東南方的菲律賓海板塊在臺灣東部與歐亞大陸板塊相撞的影響，褶皺及高角度逆斷層為最常見的地質構造，尤其是褶皺作用的地質景觀，其中最明顯的是武陵四秀中的品田山。在雪山東峰時，可清楚地看到品田山的岩層有急遽轉彎的盒狀褶皺(box fold)與東北向西南傾斜的地層滑動。

大霸尖山與其西南側的小霸尖山（高3,418公尺）並立於海拔約3,300公尺高的水平岩層基部上，這外表像個酒桶的大、小霸尖山是如何形成的呢？原來是地質構造與地形作用的交互作用下進行發育的。雖然大、小霸尖山下方的地層是由砂岩與板岩之互層構成，但山頂部分由砂岩及頁岩的互層所構成，一般傾斜平緩的厚互層之沈積岩區，往往呈現階狀山坡的地形特徵，由於砂岩的抗蝕性較高，保持著平頂山與陡崖的地形。在砂岩層下面的頁岩，其抗蝕性較弱，形成的邊坡斜度也較緩。大、小霸尖山的地形發育除了岩性外，也受節理控制。在略呈水平的砂岩層中，節理非常發現，因此地表水分容易沿節理面滲入，一旦結冰時，水的體積膨脹形成張力，加速岩塊崩落，這種楔裂作用通常從地表逐漸向下發展，經過長時間後，遂形成上狹下寬的疊狀地形。