Территория республики расположена на востоке крупнейшей тектонической структуры – Русской платформы, в пределах Волго-Уральской антеклизы. Основными тектоническими элементами являются Татарский свод с северным (Кукморский) и южным (Альметьевский) выступами, Мелекесская впадина и южная часть Казанско-Кажимского прогиба. Западная часть территории относится к восточному склону Токмовского свода.
В основе платформы – кристаллический фундамент из древних архей-протерозойских пород. Сверху он перекрыт значительным по мощности чехлом осадочных пород морского и континентального происхождения, мощностью 1500–2000 м.
На поверхности фундамента залегают породы девона, внизу – терригенные (песчаники, алевриты, аргиллиты), выше – карбонатные (известняки, доломиты с прослоями гипса и ангидрита). Мощность девонских отложений до 700 м.