灵空山自然保护区境内山岩地质主要为奥陶系白云岩、石灰岩夹页岩、石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩和寒武系石灰岩、白云岩、页岩、砂岩的并层，少量太古界变质杂岩。地貌属于大起伏喀斯特侵蚀中山地貌，由于地质构造运动强烈，地壳发生变异，大面积基岩裸露，沟谷切割较深。灵空山山中心三条沟壑交汇，形成一片奇险的深谷。整个地势东、北、西三面高，南面低，呈簸箕形。境内海拔高度在1356m~2056m之间，平均海拔高度约为1600m，最高山峰海拔为2056m。

保护区地下水在山西省地下水富水性分区中属贫水区，单井出水量3~10m3/h，泉水流量0.1~1.0 L/s。地下水类型属碎屑岩类裂隙水(SL)，其形成、分布与地质构造和水文地质条件密切相关。灵空山自然保护区地质构造复杂，水文地质条件多样，地下水和地表水有着密切而复杂的相互补给关系。