樺戸山地は標高１５００〜５００ｍの稜線をもつ山地であり，先新第三系およびそれを覆う主として海成の新第三系中新〜鮮新統と同時期の火山岩類からなる．これらは，Ｎ−Ｓ〜ＮＮＷ−ＳＳＥ方向の軸をもつ褶曲帯をなして分布する．なお，山地の北東部には暑寒別岳を中心とする第四紀火山が位置し，新第三系はその噴出物に覆われる．

樺戸山地の東麓には，主として河成扇状地起源と考えられる段丘とそれを切る活断層が認められる（松井ほか，１９６５；杉山ほか，１９８７；活断層研究会，１９９１）．河成段丘は６面に区分される．活断層は，これらの河成段丘面および沖積面に変位を与えているとされ，「樺戸断層群」･「和断層」などのＮＮＥないしＮの走向の長さ４〜１７ｋｍの断層が，雁行しながら全体として５０ｋｍ以上にわたって分布する．これらが「増毛山地東縁断層帯」（松田，１９９５）である．

山地の東側には石狩川にそって沖積低地が発達している．低地の大部分は石狩川の氾濫原であり，河川改修によって一部埋め立てられた旧河道も多い．また，徳富川や尾白利加川など樺戸山地から流れる河川沿いにも，狭い沖積低地がみられる．

北竜（和）を除く雨竜・新十津川・浦臼各町の中心市街地の大部分は，樺戸山地から流れる河川の下流に広がる扇状地（Ｈｏ面）に位置する．また，人家・集落の大部分は低地帯と河川沿いの低地・段丘面に散在している．低地や段丘面の大部分は，水田となっている．

この地域は，北海道内では地震活動が比較的活発な地域とされている（島村・森谷，１９９３）．最近では，１９８６年１１月１３日の沼田町南西部を震央とするＭ５．３の浅発地震（札幌管区気象台ほか，１９８７；鈴木ほか，１９８７）や，１９９５年５月２３日の新十津川町西部山地の深さ１４ｋｍを震源とする地震（Ｍ５．７）がある．