玉龙雪山在纳西语中被称为欧鲁，意为天山。其十三座雪峰连绵不绝，宛若一条巨龙腾越飞舞，故称为玉龙。又因其岩性主要为石灰岩与玄武岩，黑白分明，所以又称为黑白雪山。山体南段有石炭系、二迭系玄武岩与灰岩互层及其它变质岩。二迭系玄武岩及玄武岩变质的绿色片岩和绿岩见于西坡虎跳峡谷及金沙江河谷地区。东坡及山麓可以见到第四系不同冰期的冰积和冰水沉积物。
玉龙雪山处于青藏、云贵2个高原的衔接部位及滇西北横断山区和滇东高原区2个地貌形态组合区域的交界地带，为横断山系云岭山脉的主峰，属年轻的石灰岩断块褶皱山。由于地壳不均衡的上升，形成高山、深谷、山间盆地相间的地貌形态，属横断山系切割山地峡谷区，横断山北段高山峡谷亚区。地史上属滇西大地槽的一部分，古生代至中生代曾几次遭受海侵海退的影响，第三纪的喜马拉雅造山运动延继到第四纪，玉龙山最后形成于此时。
玉龙雪山地层属滇藏地层区。主要是中泥盆纪至中石炭纪的碳酸盐岩，其次是二迭纪的玄武岩夹灰岩，三迭纪灰岩夹砂页岩。山体南段有石炭系、二迭系玄武岩与灰岩互层及其它变质岩。白沙村以南主要为三迭系岩层。二迭系玄武岩及玄武岩变质的绿色片岩和绿岩见于西坡虎跳峡谷及金沙江河谷地区。东坡及山麓可以见到第四系不同冰期的冰积和冰水沉积物。
玉龙雪山是亚欧大陆最南端的现代季风海洋型冰川分布区，据1994年出版的《冰川编目》显示，玉龙雪山分布有19条现代冰川，东坡15条，西坡4条，总面积11.6平方千米，白水1号冰川为其中规模最大的冰川，长2.7千米，面积1.5平方千米，平衡线海拔约4800米，冰川末端海拔约4200米。