thumb|250px|Longyearbyens første kullgruve, «Amerikanergruva», midt i bildet. Opp til gruva tilhører sandsteinslagene øvre kritt, mens det videre oppover følger tertiære lag, yngre enn 65 millioner år (paleogen). Fra de eldste (nederste) tertiær utnyttet gruva forkullet torv fra den gang en havstrand med myr lå ved gruvenivået. Over gruva starter sandstein og skifer i den såkalte Firkantformasjonen som ikke er kullførende. Den høytliggende rekken av utstående «pyramider» er 60 millioner år gamle, harde sandsteinslag av type Grumantbyformasjonen. Mellom disse har stein og grus rast ut som følge av erosjon, regn og frostsprenging. Den øverste tredjedelen av bildet viser mykere, eroderte sandsteinslag fra midtre og øvre tertiær. thumb|250px|Svalbards geologi. Innfelt: Jan Mayen og Bjørnøya.G = Silurske granittfelt. Kull brytes i felt fra kritt-jura og senere, i det sentrale området (rødt, rosa). Dette omfatter bl.a Longyearbyen, Svea, Grumant og Barentsburg. Det har også vært brutt kull i lag fra karbon ved Pyramiden (lys grønt).
Svalbards geologi er et landfast bilde av geologiske strukturer og prosesser i Barentshavet-området. Dette området har ligget mellom tre grunnfjellsplater: Nord-Amerika, Siberia og Baltika, og er preget av vekselvise strekkinger og sammenstøt mellom disse. Svalbard har en uvanlig variert og komplisert geologi til felles med både det østlige Grønland og havområdene i Barentshavet, som vitenskapen ennå ikke forstår helt. Dagens hovedtrekk i Svalbards geologi skriver seg fra en kombinasjon av sedimentære avsetninger i forbindelse med åpningen av Atlanterhavet, samt hevninger av dypereliggende grunnfjell i forbindelse med jordplatebevegelse, eksempelvis den kaledonske fjellkjedefoldingen for drøyt 400 millioner år siden. Svalbard inneholder rikholdige lag og strukturer som stammer fra perioden kambrium og framover til nyere tertiær. Spitsbergens sentralområde kjennetegnes av gammel havbunn med sandsteinslag helt tilbake til karbon-trias og framover, og kan betraktes som en blottstilt del av lagene på havbunnen her oppe.Skjeseth, Steinar: Norge blir til - Norges geologiske historie, Schibsted, Oslo 2002, side 50–53.
Det mest omdiskuterte temaet er hvordan grunnfjellsprovinsene i vest og nord har oppstått. Mens man tidligere mente disse er fragmenter som ble revet av fjerntliggende grunnfjellskjold og siden drev mot hverandre, er det idag en vanligere oppfatning at Svalbards grunnfjell er knyttet til det grønlandske kaledonske grunnfjellskjoldet. I så fall står Svalbard nærmere Nord-Amerika enn Norden i geologisk forstand. Grunnfjellet ligger i dagen i vest og nord, mens det i Sentral-Spitsbergen ligger under et 2–4 km dypt lag av yngre sedimenter.
Det mest iøynefallende trekk for den besøkende er de mange morenene og steinblokkmarkene fra kvartær (nyere istiders avsetninger). Grusvifter, steinurer, blokkmark og morener fyller fjellsidene og elvedalene i store områder, mens brefronter har skjøvet foran seg flere kilometer med morenemateriale helt ut til havet.
Geologisk oversikt Svalbard har en nesten komplett lagrekke av bergarter fra jordens oldtid og frem til i dag. Det finnes sjeldne strukturer som vi ikke finner ellers i Nord-Europa. Svalbard er særegent i norsk sammenheng ved å ha de eneste norske landfaste formasjoner fra karbon. De store jura-kritt-formasjoner finner man ikke noe sted på fastlandet utenom Andøya – hvor det i likhet med Svalbard også er funnet fossile fiskeøgler fra jura. Stor avsetning av sedimenter i nyere tid, kombinert med jordskorpeaktivitet hvor geologiske lag både er foldet, innsunket og vendt, har resultert i mye blottlegging av både fossiler, tids-strata og kull. Svalbard har både rike lag av fossiler av dinosaurer og kull – i horisontal såvel som vertikal posisjon. På øygruppen er begge typer geologiske ressurser også mulig å finne helt oppe i dagen, og har gjennom nesten hundre år gjort øygruppen til en viktig arena for både paleontologisk forskning og gruvedrift. Svalbard har på en og samme tid noen av verdens eldste kull og noen av verdens yngste.
Svalbards geologi kan deles i tre hovedelementer:
Grunnfjellet på Svalbard med sine alpine, spisse fjell («Spitzbergen») er overveiende ikke så gammelt som i Norden forøvrig, selv om det finnes unntak med små forekomster av 3,3 milliarder år gamle bergarter – like gamle som de eldste på Grønland. Grunnfjellet er stort sett 600–400 millioner år gammelt, fra overgangen mellom jordens urtid (prekambrium) og oldtid (paleozoikum) og videre ut ordovicium til silur. Det består av størknede (magmatiske) og omdannede (metamorfe) bergarter som har vært foldet og omdannet flere ganger, men først og fremst i den kaledonske foldingen for om lag 430 millioner år siden. Vi finner grunnfjellet i tre provinser av ulik alder langs vestkysten og i nord, men alle viser slektskap med Nord-Amerikas og Grønlands grunnfjell. Det eldste grunnfjellet langs vestkysten ble hevet over havnivå først for ca. 40 millioner år siden, da området gled enda lengre bort fra Nordøst-Grønland. Grunnfjellet i nordøst er trolig blottlagt som følge av en mer generell landheving.
Sedimenter fra sen oldtid / mellomtid (mesozoikum) og framover til nyere tid (kenozoikum) består av ikke-omdannede elve- og havbunnsavsetninger. Fjellene i det sentrale Spitsbergen (det sentrale tertiære basseng) er slike havbunnsavsetninger fra nyere tid, og er noen av de yngste fjellene vi kjenner i Europa. I nord finner vi en stor provins av rød sandstein fra devon, ellers er sentral-Spitsbergen fra Isfjorden og sørover en kileformet provins av ulike nyere sedimenter. Dette kileformede «bassenget» er nedsunket mellom forkastningssoner i vest og øst, og i midten av området (Nordenskiöld Land) er de nyere lagene 2-4 kilometer tykke med en grunnfjellsplattform under. Langs kantene i øst og vest er lagene foldet opp mot det tilstøtende grunnfjellet, slik at forkastningen er vridd 90 grader og stratigrafien blottstilt. Det er en rekke mineraler som har vært forsøkt utnyttet på Svalbard, hvorav kull har vist seg mest lovende. Kullet ved Longyearbyen er med sine 65 millioner år blant verdens yngste, mens kullet ved Pyramiden lengre nord er fra sen devon og tidlig karbon og dermed blant de eldste av verdens kullfelt. Istidene i jordens nyeste tid (neogen) de siste to millioner år har formet landskapet sterkest slik det sees idag. Fjorder, kystsletter og løst steinmateriale er resultatet av erosjon med masser som isbreer og elver har løsnet og brakt med seg. Selve løsmassene omfatter morener, rasmark, elvevifter, talusvifter, steinur og steinblokkmark som dekker store arealer på overflaten. Mange steder er hele daler og fjellsletter helt dekket av slikt løsmateriale. I de større elvedalene er det neogen-masser som preger overflaten, eksempelvis i Sassendalen, Adventdalen og Reindalen. På Svalbard er erosjonen og løsavsetningene etter siste istid så omfattende at det er få landskapsspor å studere som kan berette om tidligere istider. Tidligere tiders morener og blokkmasser er overalt regruppert eller visket ut av den seneste istiden.
Grunnfjellsprovinser De tre grunnfjellsprovinsene på Svalbard ble tidligere antatt å være ensartede fra overgangen til paleozoikum, og gikk under betegnelsen Hecla Hoek. Provinsenes ulike karakter ledet den britiske geologen Walter Brian Harland til ideen om at de tydelige nord-sør-løpende grunnfjellsfeltene hadde vært deler av helt forskjellige skjold, for så i tiden etter silur å ha blitt ført sammen fra sør og nord gjennom kontinentaldrift. Han stod bak inndelingen mellom de Sørvestlige, Nordvestlige og Nordøstlige terreng. Det viser seg derimot at bergarter, fossiler og andre trekk ved grunnfjellet alle peker mot en klar forbindelse med Grønland, i motsetning til hva Harlands mente. Grunnfjellet på Svalbard har vært foldet og erodert bort i flere omganger.
Spitsbergen lå fra kambrium via devon og videre klemt mellom Laurentia og Siberia, og ble formet av den kaledonske fjellkjedefolding. Den kaledonske foldingen skjedde trolig for 450–440 millioner år siden, altså i sen ordovicium,Birkenmajer, Krzyscztof: «Caledonides of Svalbard and Plate Tectonics». Bulletin of the Geological Society of Denmark, bd. 24, 1975, side 15. basert på studier av Ny-Friesland og Nordaustlandet. Hele vest- og nordkysten er preget av denne foldingen (tidvis kalt Hecla-Hoek-provinsen), med noe nyere, muligens variskisk fjellkjedefolding i sørøst. Fjellene i øst er høyest. Midtpartiet er et 100 km bredt belte fra sør til nord og utgjør en graben som sank ned under platetektonisk aktivitet i devon-perioden. Den nordlige delen av grabenen forble uforandret devonsk, mens den sørlige delen fra Isfjorden og nedover ble dekket av hav og yngre sedimenter langt senere, mange av dem fra kvartær og tertiær.
Mye tyder på at det langs vestkysten er rester av en subduksjonssone (hvor en jordplate har foldet seg under en annen), særlig ved Motalafjellet sør for St. Jonsfjorden. Vi finner i nord en inntil 5 km bred sone av subduksjonsbergarter som eklogitt, serpentinitt, skifer samt rester av typisk havbunnsskorpe. Det som er vanskelig å forklare på vestkysten av Svalbard, er hvorfor subduksjonssonen med havbunnsegenskaper opptrer midt imellom to soner med rester av kontinentalt grunnfjell som er nesten helt identisk. Ulike forklaringer er framsatt for dette fenomenet, det kan skyldes oppsprekking av en riftdal som ble oversvømt, det kan skyldes store sideveis forskyvninger slik Harland mente, eller det kan skyldes at dette var øst-grønlandske kaledonider som ble revet av i devon-tiden.
Det nordøstlige terreng Det nordøstlige terreng omfatter øyen Nordaustlandet og nordøstre del av Spitsbergen. Fjellet er eldst i øst, og dateres med sedimentære avsetninger for 1200–900 millioner år siden, og senere vulkanske masser som er 960–950 millioner år gamle. I tiden som fulgte ble disse avsetnings- og smeltemassene omdannet, foldet og brutt ned flere ganger, inntil Hecla Hoek-bergartene framtrer fra 630 millioner år siden med tydelige avsetninger fra isbreer og havbunn. Skiftet har av enkelte vært satt i sammenheng med total nedising av jorda («Snowball Earth») etterfulgt av klimaskifte med stigende havnivå. Isbre-avsetningene er omdannet til et morenekonglomerat som kalles tillitt, og som finnes i grunnfjellsformasjonene her oppe. Havbunnsavsetningsperioden som kan ha fulgt etter en nedisning av jordkloden har på sin side etterlatt mye marin kalkstein som ikke er særlig omdannet.
I Ny-Friesland langs østfjorden av Wijdefjorden er det fem skyvedekker av grunnfjell oppå hverandre med skifer, amfibolitt, gneis og granitt. Nederst ligger inntil 1750 millioner år gammel gneis, med yngre skifer oppå dette, og skyvedekkene er foldet i en 150 km lang fold som kalles Atomfjell-antiformen. Lengre øst i Ny-Friesland finner vi omdannet leirskifer med blant annet fossile trilobitter – som på Øst-Grønland og i Canada. Newtontoppen på Ny-Friesland består av grovkornet, typisk øybue-granitt som er 432–420 millioner år gammel, og kan tyde på at grunnfjellet ble revet løs av Øst-Grønland. Newtontoppens granitt trengte inn i omkringliggende, eldre bergarter for 432 millioner år siden.
Grunnfjellet i midten rundt Hinlopenstretet er yngst – med omdannet sedimenter fra inngangen til oldtiden inklusive ordovicium. Her er lag av karbonatbergarter, sandstein, kvartsitt og leirskifer.
Lengre øst, på nordkysten av Nordaustlandet er grunnfjellet blottet langs kysten og i Rijfdalen mellom de store isfonnene. Øst for Lady Franklinfjorden er det bergarter med granitt, gneis, migmatitt og vulkanske bergarter. Botniahalvøya er i stor grad vulkansk med ca. 950 millioner år gamle lava-bergarter og gangbergarter. Lengre sør har den rosa Rijpfjord-granitten trengt inn i eldre bergarter og omdannet disse. Øst for Duvefjordener det mye migmatitt, gneis og granitt, med hele fire generasjoner av bergarter ute på Isispynten med gneis, granitt, amfibolitt og doleritt.