県西部の山地は、それぞれの間に位置する秦野盆地と足柄平野によって北部の丹沢山地、東部の大磯丘陵、西部の箱根火山および足柄山地に分けられる。

足柄平野の北東縁で大磯丘陵との境界をなす直線的な急崖は国府津-松田断層と呼ばれる非常に活発な活断層によるものであり、これを山北町の神縄断層に延長した国府津-松田-神縄断層帯は東日本を載せる北アメリカプレートと伊豆半島を載せるフィリピン海プレートの境界と考えられている。丹沢山地は、フィリピン海プレートに載って南から移動してきた伊豆半島が本州に衝突することで隆起して形成された山地であり、大磯丘陵は国府津-松田断層の活発な活動の蓄積によって隆起した丘陵である。国府津-松田断層は相模湾底の相模トラフに続き、1703年の元禄大地震や1923年の関東地震（関東大震災）などの大地震の震源となっている。

箱根火山は伊豆・小笠原弧に属し、二重の外輪山を持つ大規模な複式火山である。約65万年前に活動を始め、現在の熱海-三島-御殿場-小田原を山麓とする巨大な火山が形成された。約25万年前に起きた巨大噴火以降、白銀山-大観山-三国山-金時山-明神ヶ岳-明星ヶ岳を外輪山（古期外輪山）とする最初のカルデラが形成され、約6万5千年前の大噴火の頃までに浅間山-鷹巣山および屏風山を東側の外輪山（新期外輪山）とする新しいカルデラが形成された。現在の中央火口丘である神山や駒ヶ岳などは約3万年前に活動を開始し、それ以前に形成されていた古い中央火口丘を覆って成長した。中央火口丘からの火砕流や山体崩壊による堆積物が北側を回って流れていた早川を堰き止め、仙石原や芦ノ湖が形成された。箱根火山では現在でも大涌谷で噴気活動が見られ、周囲に箱根温泉、湯河原温泉など多くの温泉が分布する。