公园位于中国中央造山系东段，经历了中国南北古陆碰撞、拼合、造山等地质过程，在秦岭造山带复合大陆动力学的研究具有极高的科学价值。公园内赋存的西峡巨型长形蛋、戈壁棱柱形蛋等为代表的恐龙蛋化石群堪称世界之最，“诸葛南阳龙”、“河南宝天曼龙”、“河南西峡龙”、“张氏西峡爪龙”、“河南秋扒龙”、“迷你豫龙”等成为全球恐龙动物群重要组成部分，伏牛山成为研究恐龙生殖习性、破解生物物种灭绝等重大问题重要区域。长期的地质作用下，不同时期的花岗岩形成了老界岭“峰丛”、宝天曼“峰墙”、七星潭“摞摞石”、黄花曼“石瀑”、老君山“石林”、龙峪湾和白云山“断层崖”、木札岭“断褶山”等为代表的地貌景观，石灰岩则形成了鸡冠洞、天心洞、蝙蝠洞等岩溶洞穴以及重渡沟瀑水钙华等景观，充分展示了公园地貌景观多样性