1、地质。天桥区大地构造位于泰山穹隆的北缘和华北冲积大平原的东南边缘线上。地层发育比较齐全，南老北新。南部以古生代岩浆岩为主，北部以新生代第四纪黄土及砂砾沉积为主。本区基性岩浆岩岩体平面形状长轴约为东北—西南向的椭圆形，以岩床、岩株、岩脉等各种构造形状存在，奠定了天桥地区的构造基础。

2、地形。天桥区地处泰山山脉北麓，南部为以石灰岩为主的山地丘陵区，北部为山前倾斜平原和有典型黄泛微地貌的黄河冲积平原区。辖区地形由南部山前平原与北部河流冲积平原组成。由于燕山期岩浆岩的侵入体局部突出地面，形成黄台山、鹊山、凤凰山、金牛山、北马鞍山、药山、粟山、标山等孤丘。全区整个地势南、西两面略高，北、东两面稍低。海拔高度在21～120.8米之间。黄河以北地面自然坡降1／6000，有局部低洼地带；历史上受黄河多次决口泛滥冲积作用的影响，地形主要为缓平坡地、浅平洼地、决口扇形地。

3、水文。天桥区境内河流较多，主要分属于黄河、小清河两大水系。河流主要有黄河、小清河、齐济河、大寺河。黄河在境内流长13.4公里，多年平均径流总量437.26亿立方米，含沙量24.22公斤／立方米，含沙量为世界河流之冠，槽滩泥沙淤积严重，泺口坝顶海拔为38.44米，比本区济泺路与标山南路路口中心地面高出14.44米。小清河发源于槐荫区段店镇睦里庄闸，与黄河大致平行流向东北，于兴济河入天桥区境内，东流至黄台板桥庄出境入历城区，小清河在区内流长12.15公里，境内支流主要有东泺河、西泺河、柳行河、工商河、山化沟、洛林沟、北太平河、虹吸干河，是济南市区主要排水河道。大寺河南起大桥镇鹊山水库，由南向北穿越大桥镇靳家出境，向北至济阳县魏铺闸入徒骇河，天桥区境内长12.3公里，流域面积111.17平方公里。齐济河南起桑梓店镇朱河圈村，由南向北贯穿桑梓店镇后出境，向北至济阳县垛石村入徒骇河，天桥区境内长11.4公里，流域面积64.6平方公里。大寺河和齐济河不仅担负着境内的排水、除涝功能，而且还担负着重要的灌溉功能。区内拥有济南四大泉群之一的五龙潭泉群，有27余处泉眼出露，为“泉城”济南的一大景观。黄河北岸建有鹊山引黄调蓄水库。

区内地下水主要有第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水。第四系松散岩类孔隙水主要赋存于砂砾石层中及砂砾石类粘性土中，分布范围较广，一般厚度和水量不大，主要分布于辖区北部，因残积、坡洪积出露位置高、厚度小，相对贫水。碳酸盐岩裂隙岩溶水水量富集，主要分布于辖区南部，为区内主要含水层，具有供水意义。黄河以北主要为黄河冲积形成的平原，个别地段埋藏有南部山间河道延伸而来的古河道，该区地下水为淡-咸-淡三层水质结构，浅层淡水底板埋深10～50m，含水层以粉细砂为主，富水性微弱。区内地下水平均埋深2～3m，矿化度1～3g/L。由于受历史上黄河多次泛滥改道的影响，该地区沉积物结构层次交错，岩性复杂多变，造成部分地区地下水含盐量高。