双葉断層は，原町市以南では阿武隈山地と丘陵との境界を，原町市以北では阿武隈山地内を Ｎ１０°Ｗ 方向に連続する。

双葉断層沿いには，古生層，ジュラ系〜白亜系最下部の相馬中村層群，下部白亜系の花崗岩類，古第三系の白水層群，中新統の湯長谷層群，塩手層，天明山層，中新統最上部〜鮮新統の仙台層群，第四系の段丘堆積物等が分布しており，原町市以南では主として西側の花崗岩類，湯長谷層群と東側の仙台層群との境界付近に，原町市以北では主として西側の塩手層及び天明山層と東側の相馬中村層群との境界付近に断層が示されている。

双葉断層の第四紀における活動について記載した主要な文献は，図２−１に示すとおりであり，松本（１９７６），大槻ほか（１９７７），柳沢ほか（１９９６）などにより，宇多川の北方から上真野川付近について，左横ずれを示す尾根・谷の屈曲が認められるとされ，鈴木・小荒井（１９８９）により，真野川沿いの栃窪及び上真野川沿いの橲原において段丘堆積物基底面に変位を与える断層露頭が報告されている。また，上記区間より南の地域については，久保ほか（１９９０）が片倉南方において高位�T段丘面が西落ちに約１０ｍ変位しているが，この北側では中位�U段丘面には変位は認められないとし，本図幅（原町及び大甕）地域より南では後期更新世以降に活動したという証拠はないとしている。

新編「日本の活断層」（１９９１）によると，双葉断層の相馬市初野西方から原町市大原付近に至る約１８ｋｍ西側隆起，左横ずれの確実度�T（活断層であることが確実なもの）が示され，その活動度はＢ級とされている。その南側には，原町市大谷南から広野町下北迫に至る約５２ｋｍに西側隆起の確実度�U（活断層であると推定されるもの），一部南端部で確実度�V（活断層の疑いがあるリニアメント）が示されている。また，北端部の角田市石川口南東から丸森町明光沢東に至る約５�q間にも確実度�Uが示されているものの，東側隆起，左横ずれを示すとされている。なお，上記約５２�q間のうち南部は地質断層と一致していないことから岩相の差異によって生じた地形である可能性があると記載されている。

一方，活構造図「新潟」（１９８４）においては，双葉断層北部の相馬市遠藤付近から原町市大原付近に至る約１２ｋｍ間を活断層として図示され，その南方及び北方延長部は新第三系及び下部更新統の断層として示されている。

以上のように，双葉断層は，約７０ｋｍ間にわたり活断層あるいは推定活断層として示され，そのうち，北部の相馬市初野西方から上真野川に至る間については左横ずれを示す地形や段丘形成後の変位を示めす報告がなされており，原町市大原付近以北の約１２ｋｍ間あるいは約１８ｋｍ間においては，活断層であることがほぼ確実なものとして示されている。しかし，原町市以南については久保ほか（１９９０）によると後期更新世以降に活動したという証拠はないとされ，新編「日本の活断層」（１９９１）でも岩相の差異によって生じた地形である可能性があるとされている。