济南位于泰山隆起北翼北缘，济南南部山丘地区分布着大面积的寒武、奥陶系石灰岩地层，岩层由东南向西北倾斜倾没于市区地下，形成典型的单斜构造。济南南部山区为泰山余脉，自南而北有中山、低山、丘陵，至市区变为山前倾斜平原和黄河冲积平原的交接带，石灰岩分布区高差达500余米，山区以前震旦系变质岩为基底，上覆有1000多米不等的寒武系和奥陶系石灰岩地层。岩层以3～15度倾角向北倾斜，这种南高北低的地势，利于地表水和地下水向山前地下水排泄区汇集。在漫长的地质年代，这些可溶性灰岩，经过多次构造运动和长期溶蚀，岩溶地貌发育，形成大量溶沟、溶孔、溶洞和构造裂隙、溶蚀裂隙等，共同组成了能够储存和运移地下水的脉状地下网络通道，为泉水的补给与排泄提供通道。
济南泉域在龙洞-千佛山等南部低山丘陵区，寒武纪、奥陶纪灰岩出露和裂隙岩溶发育的地方，大气降水和地表径流大量的入渗，渗入地下形成了裂隙岩溶水。入渗的裂隙岩溶水，受太古界变质岩、古生界页岩的隔阻，地下水沿岩层倾斜的方向，向北作水平运动，形成地下径流，来自于南部山区的岩溶地下水向北径流至市区。市区北部为燕山期辉长岩--闪长岩侵入体，质地细密，岩质坚硬，隔水性能好。独特的单斜构造是泉水形成的首要条件（图1）。
图1 济南泉水形成示意图
在平面上，四大泉群西有千佛山断裂，东有文化桥断裂，石灰岩呈舌状“嵌入”，形成“地垒”，火成岩覆盖于石灰岩之上，地下水至山前遇到辉长岩相对隔水层的阻挡，地下水三面受阻并承压上升，地下水由水平运动变为垂直向上运动，促进了岩溶发育和水位抬高，在强大的静水压力下，地下水穿过岩溶裂隙，在灰岩和侵入岩体的接触地带及第四系沉积层较薄弱处涌出地表，形成天然涌泉。
由于四大泉群出露条件的差异，各泉群的流量不同，四大泉群一带地势相对低洼,奥陶系下统至凤山组地层裂隙岩溶发育，连通性强，趵突泉和黑虎泉泉群一带，岩溶水通过灰岩“天窗”，并穿过8~10m的胶结砾岩孔隙出流（见图2）。而珍珠泉和五龙潭泉群的形成是岩溶水在闪长岩岩体以下，通过岩溶含水层向北径流，穿过泉城路后，在北部遇到了闪长岩裂隙发育带，虽然闪长岩厚度达到51~80m，但在水头压力作用下，岩溶水穿过闪长岩裂隙和松散层孔隙出流（见图2）。
图2 “四大泉群”出流条件示意图
