На востоке над Кузнецкой котловиной поднимаются склоны самого высокого хребта области — Кузнецкого Алатау. Высота некоторых вершин в его южной части достигает 1800— 2000 м, здесь же в массиве Тегир-Тыз находится и высшая точка области — гора Верхний Зуб (2178 м). Кузнецкий Алатау расчленен глубокими речными долинами на систему разобщенных среднегорных массивов; западный склон его крутой, восточный — более пологий.
Горы Кузнецко-Салаирской области сложены нижнепалеозойскими кристаллическими известняками, доломитами, зеленоватыми песчаниками, сланцами и вулканическими туфами. Наиболее интенсивные складкообразовательные движения здесь происходили в эпоху салаирской фазы каледонской складчатости, когда сформировались основные структурные элементы — Томский массив, Бийский антиклинорий и антиклинорий Кузнецкого Алатау. Уже в среднем палеозое эти приподнятые участки выступали в виде островов среди морей, занимавших Западно-Сибирскую равнину, Кузнецкую и Минусинскую котловины. После длительной эпохи континентального выравнивания, уже в начале четвертичного времени, невысокие горы подверглись молодым дифференцированным поднятиям, амплитуда которых в хребтах восточной половины области была более значительной, чем на западе.
Кузнецкая котловина — обширный межгорный прогиб, основание которого сложено смятыми в складки породами нижнего палеозоя, перекрытыми морскими девонскими и каменноугольными отложениями. Она сформировалась позднее окружающих горных массивов, в эпоху верхнепалеозойской складчатости. Оставшийся после отступания моря мелководный бассейн постепенно распадался на отдельные водоемы с многочисленными лагунами и плоскими заболоченными берегами. В этих условиях формировались континентальные верхнепалеозойские, триасовые и юрские отложения, представленные преимущественно терригенными осадками (песчаниками, конгломератами, алевролитами и аргиллитами), чередующимися с пластами каменного угля. Накопление их происходило в обстановке длительного прогибания территорий, о чем свидетельствует большая мощность отложений, превышающая 10 000 м. В то время здесь был влажный, теплый климат, и росли леса из древовидных папоротников, лепидодендронов, араукаритов, каламитов, гинкговых. На низменных заболоченных берегах лагун и озер формировались мощные торфяники, превратившиеся после их погребения под более молодыми осадками в пласты угля.
Все рабочие пласты угля (их насчитывается около 120, при суммарной мощности 180 м) заключены в трех свитах: балахонской (P1), ерунаковской (P2) и конгломератовой, или тарбаганской (J1). В послеюрское время в соседних с котловиной горных хребтах возобновились тектонические поднятия. Под их воздействием угленосные отложения были слабо дислоцированы и кое-где прорваны пластовыми интрузиями базальтов.
Кузнецкая котловина — волнистая эрозионная равнина, расчлененная густой сетью широких пологосклонных долин и балок. Высоты в ее северной части обычно более 200 м (в долине реки Томи — 100—120 м); на юге они возрастают до 400—500 м. Долины крупных рек (Томь, Иня) хорошо разработаны, и ширина их на отдельных участках достигает 10—20 км. Равнинный рельеф -котловины нарушается в ее центральной части низкогорными кряжами, которые сложены мезозойскими базальтами (Тарадановский увал, Салтымаковский хребет и Караканские горы).