Kitzbühel liegt 743m über dem Meeresspiegel und ist im Westen, Süden und Osten von den Kitzbüheler Alpen eingeschlossen, im Norden erhebt sich das Kaisergebirge und schirmt Kitzbühel gegen Gewitter, Wind und Stürme ab.

Kitzbühel liegt mitten im Gebiet der nördlichen Grauwackenzone, die in Tirol nur in den Kitzbüheler Alpen voll entwickelt ist. Sie setzt sich aus zwei Teilstreifen zusammen:

•  ein nördlicher Teil mit der Hauptmasse der Grauwackengesteine, die sogenannte Grauwackenzone im engeren Sinn
• und ein südlicher Streifen, der Hauptsächlich aus Quarzphyllit besteht.

Beide Streifen hängen eng zusammen, ihre Grenze lässt sich nicht genau festlegen, sie folgt ungefähr der Linie Zell am See - Pass Thurn - Großer Rettenstein - Pill bei Schwaz.
Die Gesteine der Kitzbüheler Grauwackenzone sind nur schwer zu gliedern, weil sie ihr ursprüngliches Aussehen verändert haben, sie sind mehr oder weniger stark verschiefert. Vor allem fehlten aber geeignete Leitfossilien, um die Gesteine in ein geologisches Zeitenschema einzuordnen.
Dem Geologen Helfried Mostler ist es gelungen, die charakteristische Gruppe der Conodonten genauer zu erforschen. Solche Leitfossilien ermöglichen eine verläßliche Alterseinstufung und damit eine feinere Gliederung und Aufteilung der Gesteinsablagerungen.
Die Gesteinswelt der Kitzbüheler Alpen lässt sich in zwei deutlich unterscheidbare Serien einteilen, nämlich in eine mächtige Schiefermasse und in helle Karbonatgesteine.
Die eigentlichen Grauwackengesteine bildet der Wildschönauer Schiefer, phyllitisch aussehende graue, grüne und violette Tonschiefer und die Grauwackenschiefer, die hauptsächlich durch Metamorphose aus Effusivgesteinen hervorgegangen sind. Wildschönauer- und Grauwackenschiefer stellen die tiefste erschlossene Einheit innerhalb der Grauwackenzone dar. Die 1000m mächtige Gesteinsmasse ist Hauptbestandteil der Kitzbüheler Grauwackenzone.
Bemerkenswert ist das Magnesitvorkommen im Spertental in Form kleiner Linsen und Kluftfüllungen. Wesentlicher Bestandteil der Wildschönauer Schiefer sind in dünnen Schichten auftretende graue und grüne, feldspatführende Quarzsandsteine; in den tieferen Teilen der Wildschönauer Schiefer kommen Ergüsse von basischen (kieselsäurearmen) Laven vor, die mehrere durch Tuffe getrennte Decken von diabasischen Gesteinen bilden. Man unterscheidet verschiedene diabasische Gesteinstypen:
Feldspat am südlichen Stadtrand von Kitzbühel, bei der Ebner Kapelle und an der Westseite des Pengelsteins.
Hornblende auf der Ehrenbachhöhe und teilweise im Auracher Graben. Chlorit am Bischof (2129m).
Außerdem gibt es Diabasporphyrite von grauer Farbe mit hellen, grauen Feldspäten. Schließlich findet man den Diabasbrockenschiefer, eine Breccie aus grünen und braunroten Stücken, hauptsächlich Diabasbrocken, aber auch aus hellen Kalken und Fremdgesteinen, wie granatführender Gneis und Granatamphibolit. Diese Fremdgesteine deuten auf Eruptionen hin.
In den mittleren Teilen des Wildschönauer Schiefers liegen saure Gesteine, es sind quarzporphyrische Laven mit den zugehöigen Tuffen. Größere Vorkommen findet man im Bereich des Zenzerköpfels (1119m), südlich des Schwarzsees, am Steinbergkogel und am Pengelsteinkamm.
In den Randzonen wurden diese porphyrischen Gesteine mechanisch stärker beansprucht und sind daher stark verschiefert und zu hellen Porphyroidschiefern geworden. Das Hauptverbreitungsgebiet des Porphyroidschiefers ist:
Bischof, Sonnspitze, Fleiding-Nachtsöllberg, Rauher Kopf, Steinbergkogel.
Die Wildschönauer- und Grauwackenschiefer führen häufig Erz, besonders Spateisenstein und Kupfererz.
Spateisensteinvorkommen und Bergbaue liegen südwestlich von Kitzbühel: Ehrenbach, Streiteck, Blaufeld, Silberstuben- Saukasertal, Juven. Die Bergwerke sind inzwischen alle aufgelassen.
Kupfererz wurde am Röhrerbühel abgebaut, ebenso Silber. Die Bergbaue im Röhrerbühel zählten zu den tiefsten der Erde, über 570m.
Kupfererz wurde auch am Schattberg im Josephi-Erbstollen, auf der Kelchalpe und Wildalpe abgebaut. Auf der Bachalpe, Kelchalpe und Kupferplatte gewann man gediegenes Kupfer. Außerdem gab es im Kitzbüheler Bergwerksgebiet eine Reihe anderer Mineralien.
Auf dem Grauwackenschiefer liegt eine dünne Schicht von Graphitschiefer, Kieselschiefer und Dolomiten. Darüber breiten sich die das Landschaftsbild belebenden hellen Karbonatgesteine aus.
Aus dem Devon stammen die grauen, erzführenden Dolomite. Das Hauptverbreitungsgebiet der hellen Dolomite erstreckt sich östlich von Kitzbühel, vom Kitzbühler Horn über den Wilden Hag, Stuckkogel, Karstein, Wildseeloder bis zum Spielberghorn. Es sind zum Teil marmorisierte Kalke mit verkiesten Brachiopoden und vereinzelten Trilobiten. Am Gipfel des Kitzbüheler Horns findet man sehr eisenreiche und marmorisierte Orthocerenkalize. In dieser Kalk- Dolomitzone gibt es auch wertvolle Bodenschätze, wie Baryt und Magnesit bei Hochfilzen.
Die hellen Dolomite entsprechen altersmäßig dem "Schwazer Dolomit". Die Dolomite sind Ablagerungen aus dem Paläozoikum. Gesteine aus dem Karbon fehlen. Entweder waren sie nie vorhanden, oder sie wurden -wieder restlos entfernt. Für das Perm ist das nicht so sicher. Aus der Trias, als das Meer wieder vorgedrungen ist, findet man sichere Ablagerungen. Der Abtragungsschutt hat sich allmählich durch feinkörniges Bindemittel oder durch Zusammenpressen zu Breccien verfestigt.
Die Breccien wurden später deformiert durch alpidische Bewegungen. Besonders stark betroffen wurden die Breccien des Hahnenkammgebietes. Hier bestehen die Breccien aus einem feinen grauen, dichten Kalk mit gelblichem Dolomit und Stücke aus rötlichem und weißem Kalk. Die rotgefärbte Bindemasse enthält kleine Quarzkörner, Serizit und helle große Glimmer.
Im Hahnenkamm ist diese Gesteinsart besonders stark vertreten (ca. 100m mächtig) und wird, besonders die oberen Partien, sehr stark mechanisch beansprucht, so dass die Bestandteile abgeplattet, in die Länge gezogen und ausgewalzt wurden. Nur Kalke wurden so stark verformt, nicht jedoch die Dolomite.
Die Quarze der Breccien und der Konglomerate haben durch das Eindringen von Eisenoxyd eine rötliche Farbe angenommen. Zwischen den Kalkbreccien findet man im Hahnenkammgebiet auch Kalksandsteineinlagen, bestehend aus Kalkspat, Quarzen, Hellglimmer und wenig Eisenoxyd. Die Lagen sind mechanisch stark beansprucht. Das Alter der Kalkbreccien, Konglomerate und deren Zwischenlagen kann man wegen mangelnder Fossilien nicht exakt feststellen. Vermutlich sind sie am Ende des Perm oder am Beginn der Trias entstanden.
Der sogenannte "Schattbergstein", am nordöstlich Hang des Schattbergs abgebaut, -,wurde früher als Werkstein verwendet und heute auch gerne als Zierstein wegen seiner lebhaften, bunten Farbe und des schönen Musters.
Die Buntsandsteine- es sind feinkörnige und harte Sandsteine und teilweise Quarzite leiten in den nördlichen Kalkalpen und in der Grauwackenzone die Triasgesteine ein.
In tieferen Lagen findet man vorwiegend dunkelrote bis violette schiefrige Sandsteine. Im mittleren Abschnitt folgen Quarzsandsteine und im höheren Teil sind es feinkörnige, helle Sandsteine. Der Wechsel von grobkörnigem und feinem Material deutet auf häufige Änderung in der Zufuhr hin.
Bemerkenswert ist, dass der Breccienkomplex frei von Turmalin ist, während die Sandsteine reichlich Turmalin enthalten.
In der Kitzbüheler Horngruppe gibt es nur noch wenige Reste von Breccien und Konglomeraten. Mit dem altersmäßig zur unteren Trias gerechneten Buntstandstein schließt nach bis heutigen Erkenntnissen die Schichtenfolge in den Kitzbüheler Alpen ab. Allerdings ist mit dem Gaisberg im Südwesten von Kirchberg inselartig eine fast vollständige Serie von Triasgesteinen erhalten geblieben.