Lužické hory se vyznačují dosti pestrou geologickou skladbou. Na území Lužických hor jsou zastoupeny všechny základní tři typy hornin (vyvřelé, usazené a přeměněné).

Nejstaršími zde přítomnými horninami prvohorního stáří jsou žuly v nejsevernější části, kam zasahují ze Šluknovského výběžku. Jedná se o hlubinné vyvřeliny, které vznikly utuhnutím magmatu ve velkých hloubkách a teprve později se už utuhlé různými geologickými procesy dostaly na zemský povrch. Jelikož k tuhnutí docházelo ve velkých hloubkách, probíhalo velmi pomalu a vykrystalizované minerály jsou velké velikosti. Prvohorní vyvřeliny mírně metamorfované – zawidowský granodiorit – se vyskytují rovněž severně od Lužické poruchy v oblasti Dolního Sedla a Dolní Suché. Zajímavostí je vrch Vysoká tvořený diabasem, čedičovou horninou prvohorního stáří.

Většina území je budována svrchnokřídovými pískovci březenského souvrství. Na severním okraji Lužických hor jsou křídové pískovce tektonicky ohraničeny proti žulám lužického masivu tzv. lužickou poruchou, po které došlo k nasunutí starší žuly nad mladší pískovce. V okolí Doubice přitom byly na povrch vyvlečeny i drobné kry jurských vápenců. Ve východní části Lužických hor pak starší cenomanské pískovce.

Na dnešní tváři Lužických hor se výrazně podílela třetihorní vulkanická činnost. Magma proniklo zlomy v zemské kůře a vytvořilo podzemní tělesa většinou bochníkovitého tvaru (lakolity), popř. utuhlo v přívodních komínech. Teprve později byly rozrušeny a odneseny povrchové vrstvy měkčích usazených hornin na rozdíl od velmi odolných vulkanických těles. V Lužických horách se tedy nejedná o sopky v pravém slova smyslu, ale o vypreparované původně podpovrchové útvary. Tím vznikl charakteristický reliéf Lužických hor, tvořený protáhlými hřbety a výraznými kuželovitými nebo kupovitými vrchy.

Vyvřelé horniny se rozlišují podle minerálního složení. Přítomnost jednotlivých minerálů závisí na chemickém složení i fyzikálních okolnostech tuhnutí magmatu. K nejdůležitějším minerálům patří křemen, živec draselný, živec sodnovápenatý, slída a další minerály (např. olivín). S minerálním složením souvisí často používaný pojem kyselost horniny, který označuje zastoupení křemene v hornině. Kyselé horniny obsahují hlavně křemen a draselný živec, popř. další minerály. Bazické horniny neobsahují křemen, ale především sodnovápenaté živce. Čediče jsou představitelem bazických hornin (sodnovápenatý živec a další minerály jako augit, amfibol, nefelín, olivín). Znělec a trachyt již obsahují vedle sodnovápenatého živce i živec draselný, ne však křemen. Tyto dvě horniny se liší pouze procentuálním podílem jednotlivých nerostů.

Hornina se při tuhnutí magmatu dále ochlazuje a tím zmenšuje svůj objem, proto v ní vznikají pukliny. Pro čediče je charakteristická sloupcová odlučnost. Při velmi pomalém ochlazování se v olivinickém čediči např. na Zlatém vrchu vytvářejí dokonalé pěti- či šestiboké hranoly dlouhé až 30 metrů. Pro znělce je charakteristická odlučnost deskovitá.

Ve čtvrtohorách převládala erozní činnost, při níž vznikla na svazích vulkanických kopců mrazovým zvětráváním často rozsáhlá suťová pole. U Jítravy na východním okraji Lužických hor jsou zachovány štěrkopísky, uložené kontinentálním ledovcem, který sem pronikl od severu.

Skály v CHKO Lužické hory.