Kiuruveden kallioperä kuuluu proterotsooisiin kivilajeihin (2500-1900 milj. v.) Vallitsevia kivilajeja ovat happamat ja vähäravinteiset kiille- ja pohjagneissit sekä niihin tunkeutuneet graniittiset syväkivet. Kallioperälle on tyypillistä ruhjeisuus ja rikkonaisuus.
Suurin osa Kiuruveden maaperästä on pohjamoreenia. Jonkin verran esiintyy myös lajittuneempaa pintamoreenia. Harjuja ei kaupungin alueella ole.
Kumpumoreenit muodostavat mielenkiintoista maisema-aluetta Kiuruveden pohjoisosassa Heinäperällä. Moreenikumpuryhmä on Ylä-Savon laajin yhtenäinen moreenikumpualue, joka on syntynyt jääkauden jälkeen paikalleen sulavan jäätikön sisällä ja alla olevasta moreenista. Luode-kaakkosuuntainen, pitkähkö alue kumpuja ja kukkuloita kohoaa soistuneelta tasangolta. Pyöreiden tai pitkänomaisten kumpujen korkeus on 2-25 m ja halkaisija 10-100 m. Kohoutumien aines on hienoaineksista moreenisavea. Heinäperän kumpumoreenialue ja Mustamäen kumpumoreeni ovat valtakunnallisesti arvokkaita moreenimuodostumia.
Huomattava osa Kiuruveden alueesta on turvekerrostumien peitossa. Kiuruveden turvevarat ovat Pohjois-Savon suurimmat. Ranta-alueilla vallitsevia ovat savi ja savipitoinen hienoainesmoreeni. Viljavat savikko- ja hiesualueet syntyivät jääkauden jälkeen muinaisen Suur-Saimaan pohjaan kerrostumalla ja on sittemmin suurelta osin raivattu pelloiksi. Arvokkaita viljelyalueita on mm. Kiurujärven, Niemisjärven ja Pölhönjoen rantamilla.
Luonnon ja maisemansuojelun kannalta arvokkaita kallioalueita:
