星斗山自然保护区位于鄂西南利川市、恩施市、咸丰县三市县境内，分为2片。东部星斗山片，位于利川市、咸丰县、恩施市三县市交界处，北纬29°57′ ~30°10′，东经108°57′~109°27′，东以恩施市盛家坝乡的马鹿河为界，西至利川市元宝乡的红椿沟，南起咸丰县黄金洞乡的利咸路，北至利川市毛坝乡的黄泥坝；西路小河片，位于利川市境内，北纬30°04′~30°14′，东经108°31′~108°48′，东起忠路镇的老屋基，西至汪营镇的高笋塘，南起忠路镇龙塘铺，北至汪营镇的交椅台。星斗山自然保护区总面积68339公顷。
一、地质
1、地层
星斗山自然保护区地层，寒武系，奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系等都有出露。全部由沉积岩组成，未见有岩浆岩、变质岩出露。
（1）寒武系：寒武系主要为白云岩和白云质岩，主要见于锦屏乡的大坳村，青岗坪一带。
（2）奥陶系：奥陶系地层主要有页岩、瘤状灰岩、龟裂灰岩组成。主要分布在毛坝中部的河沟两岩、沙溪南部、长顺、文斗的郁江两岸。
（3）志留系：志留系地层主要有砂质页岩及造礁的珊瑚介壳相的质灰岩相，沉积厚度超过1300米，主要分布在毛坝、沙溪等地，黄泥塘、文斗的东南、长顺的中部、黄土的西北部亦有分布。
（4）泥盆系：泥盆系属海陆交相沉积，石英砂中的交错层理非常发育，砂质页岩中含有鲕状赤铁矿层，见于马鬃岭、黄泥塘、沙溪、文斗、长顺、黄土等地，沉积厚度60~100米。石炭系期间，本区属上扬子古陆部分，处于剥蚀阶段，故只有沉积微少的零散陆相堆积，厚度0~30米。
（5）二叠系：二叠系为上下两统。下二叠系有两个组：栖霞和茅口。上统龙潭组为地壳上升、海水退后的碎屑沉积，主要为含煤的砂页岩夹海相灰岩及页岩，属以陆相为主的海陆交替相的含煤沉积。二叠系主要分布在齐跃山脉一线，另外柏杨的见天和寒池山脉也有部分外露。
（6）三叠第：三叠系有三套岩系：下三叠系为含蛇菊石的薄层灰岩夹页岩的大冶组，上部含提罗菊石的灰岩及泥灰岩的嘉陵江组，是属浅海到微咸化酸岩相。中统为紫色砂页岩，泥岩夹泥灰岩的巴东群，代表近古陆的浅海沉积。上三叠的须家河组，在四川表现为含煤的陆相沉积，在利川表现为海相的砂岩、页岩及含铱量较高的红色胶泥较多的中薄层石灰岩层，三叠系岩分布面积较大。
（7）侏罗系：侏罗系为三统。下统自流井组，为紫色泥岩夹灰绿色砂岩。中统沙溪庙组，由暗紫色泥岩与杂色砂质泥岩及泥灰岩、黑色页岩组成，遂宁组为紫红色砂质泥岩夹石英粉砂岩组成。上统蓬荚镇组，棕紫色灰色泥岩与砂岩不等厚互层，夹少量泥灰岩及页岩。本区侏罗系分布在齐岳山的两翼白垩纪以后，再无海相陆相沉积，只有风化剥蚀。
（8）第四系：第三系时，在本区沉积不多，且为零散河湖相的沉积与堆积。到第四系，由于地球气温变低，冰期降临，鄂西地区大部出现过山岳冰川。在后来温暖湿润的气候条件下，由于石灰岩层的深厚，岩溶地形相当发育。
2、构造
本区地处杨子准地台，以齐岳山为界，分属四川台拗和八面山台褶带两个次级地质构造单元。区内无火成岩、变质岩分布。在齐岳山以东出露的地层以三叠系为主，背斜轴部为古生代地层,马前向斜的地层为侏罗系,齐岳山以西则为侏罗系红层覆盖。构造形式以褶皱为主。齐岳山背斜以东，褶皱构造呈北东向展布，背斜形态以箱形为主，相间狭窄的向斜，组成隔槽式褶皱。以西褶皱形态为宽阔长缓的屉形向斜和梳状高背斜相间排列组成隔档式构造。
齐岳山梳状背斜以西的建南、谋道一带，四川台拗的东部边缘，在齐岳山脉与方斗山脉之间，为马头场向斜，其中有次级建南背斜、箭竹向斜；以东是由中生代地层构成的一个复式向斜构造，利川城北以三叠系为主构成平缓开阔的小青垭背斜，产状平缓（10°~20°），内有许多次级褶皱,城南马前一带是由侏罗系组成的向斜，产状极平缓（4°~10°），翼部三叠系产状突然变陡，是一开阔平底向斜。利川市南部是由古生代地层构成的郁山背斜。
区内断裂较少，主要有齐岳山断裂，次有石门断裂，属于滨太平洋断裂体系的武陵断裂系。
3、地壳运动与地质发展史
本区在地质构造上是杨子陆台上的一个相对独立的构造单位。川湘凹陷的四川地台之东，江南地盾之西，位于齐岳山脉和武陵山脉之间。利川公是川凹陷西北边缘的一部分。
在古生代发生的加里东运动，造成毛坝、沙溪水、文斗、长顺等地的东南部上升成为古陆（属扬子古陆的边缘部分），使这些地区上部各时代的地层全部缺失，未接受志留系以后沉积。在泥盆、石炭系两时期，利川仍属上扬子古陆，只有少量的海陆相交沉积。二叠系时，又下降接受海相沉积，但到晚期受东吴运动影响，又开始上升，海水退却成陆，此时气候温和，陆生植物空前繁茂，造成煤形成的有利条件，龙潭组的煤系，是利川主要煤矿资源。
中生代三叠系在利川除属扬子古陆的几个地方外，其他大部分均接受海相沉积。到晚三叠系因受印支运动的影响，地层发生强烈褶皱，齐岳山、云雾山等均在此时褶皱形成。在褶皱剧烈的地方，有断层发生，侏罗系时，其他低洼处又接受四川古湖的陆相沉积，高山处受到剥蚀。
新生代第三纪后期喜马拉雅运动的影响，速写为整个利川相应升高，造成福宝——钟灵山脉的升起，不再接受海湖的相大量沉积，成为有现代利川地貌雏形的格局。第四纪起时，利川尚有一个很大的古湖，其范围包括柏杨的西南及南坪、汪营、凉雾、大塘、朱砂、元堡、团堡等地，湖底最低处的海拔高度 1040~1060米左右，从岩洞寺淹没的洪水沉积层位及汪营街头石灰窑顶上的洪积物剖面来看，可见当时湖水高于1060~1100米左右。经查汪营甘泉坝、苏家桥、柏歌舞剧三层岩等地，均有第四纪化石的出露。
二、地貌
本区属云贵阳市高原东北的延伸部分，山地、峡谷、丘陵、山间盆地和河谷平川相互交错，中部突出而平坦，全境地势高于相邻各县（市），是一个地垒式的桌状山区。区内中部平坦开阔，海拔一般在1000~1300米，其周缘高山耸峙，构成鄂西南少有的高山盆地。盆地内坡度和缓，相对高差100~300米，呈典型的山原地貌。盆地外缘坡度陡降，形成全区以河谷为主的低山区。二高山秘低山之间，层峦叠嶂，坡度陡峻，沟谷幽深，高差显著。发源于境内外内的河溪向四面八方奔流。由于河流落差大，降雨集中，土壤侵蚀严重，侵蚀阶地广泛分布，呈侵蚀地貌。全市最高点为东北部寒池山，海拔2041.5米；最低点为西南部长顺的郁江出境内外，海拔315米；利川城海拔1079.5米。
根据地形高度，利川地势可分为三级：第一级海拔1200米以上为高山区，面积24 万平方千米，占全市总面积的52%左右，适宜发展林、药及草场畜牧业；第二级海拔800~1200米为二高山区，面积18.78万平方公里，占全市总面积 41%左右，地势较平坦，水田面积大，耕地集中连片，是本市主要的种植业和养殖业区；第三级海拔800米以下为低山区，面积3.11万平方公里，占全市总面积7%左右，是水稻和其他一些亚热带作物和经济林木的主要产区。
三、气候
星斗山地处中亚热带与北亚热带的过渡地带，属亚热带大陆性季风气候。因山岭重叠，溪谷纵横，相对高差大，气候变化较大，山地气候明显。与同纬度的平原相比，具有冬无严寒、夏无酷暑、云多雾大，日照较少，雨量较小等特征。由于区内各地海拔差异，高低山间气候明显区别。低山四季歌分明，冬暖夏热，无霜期长。高山迟春秋早，湿润多雨，冬长夏短。区内降水充沛，雨热同季，暴雨甚多。年降雨量达1300毫米以上。5~9月间的降水量，占全年的71%，年内季节分配不均匀。区内地形复杂，制约着光、热、水的再分配。
四、水文水系
本区地势中部高，四周低，河流分布呈典型的放射状水系，从中部顺着地质构成线和山势分向四面八方流出。这个水系大致分为：由东流入长江的清江水系，分别由东南、西南流入乌江的毛坝河、郁江的乌江水系。向溪流入长江的石柱河、向西北和东北流入长江的建南河、磨刀溪和梅子水的长江水系。流域总面积4600平方公里，多年平均径流深802毫米，多年平均径流总量37.02亿立方米。
五、土壤
保护区内土壤随海拔高度不同而土壤类型有别。其基本规律是从低到高垂直分布为黄壤——黄棕壤——棕壤。在海拔800米以下为黄壤，800~1500米为黄棕壤，黄棕壤与棕壤的分界线在海拔1500米左右。紫色土壤分布在400~1550米，石灰土分布海拔480~1220米。水稻土壤主要分布在 316~1500米的低山和二高山，一般从谷底到山顶依次出现潮土和水稻土。
根据全国第二次土壤普查，全区土地土壤共分7个土类，47个土属数，236个土种数。7个土类分别为黄壤，黄棕壤、棕壤，紫色土、潮土，石灰土、水稻土。其中黄壤亚类数1，土属数3，土种数40；黄棕壤亚类数2，土属数3，土种数12；潮土亚类数3，土属数3，土种数4；石灰土亚类数2，土属数2，土种数4；水稻土亚类数5，土属数27。土种数143。
