Tatry patria do vonkajšej časti Tatransko-fatranského pásma jadrových pohorí. Sú budované horninami troch významných geologických megajednotiek. Tatrikum tvorí podklad, tvorený kryštalinickými horninami a ich sedimentárnym obalom, cez ktoré sú presunuté subtatranské príkrovy, spodný krížňanský (fatrikum) a vrchný chočský (hronikum). Príkrovy sú tvorené hlavne druhohornými karbonátmi – vápencami a dolomitmi. Tatry sa geologicky delia na dve zóny, južnú prevažne kryštalinickú roháčsko-vysokotatranskú a severnú subtatranskú zónu, budovanú druhohornými príkrovmi.
Najstaršie kryštalinické celky tatrika vystupujú hlavne v západnej časti pohoria. Predstavujú ich dve litotektonické jednotky, vrchná viac metamorfovaná (baranecký komplex) je tvorená migmatitmi a granitmi, spodná (jalovecký komplex) menej metamorfovaná viditeľná iba v tektonickom okne (Liptovské Tatry) je tvorená svormi a rulami, premenenými flyšovými horninami. Obe metamorfované jednotky sa stýkajú pozdĺž strižnej zóny, ktorej vek sa odhaduje na devón až karbón, čo zodpovedá neskorohercýnskym pohybom[4]. Na kryštalinikum nasadajá kontinentálna obalová tomanovská jednotka. Prítomné sú aj čiastkové príkrovy Červených vrchov, Giewontu a Širokej. V Západných Tatrách vystupuje jednotka Osobitej, ktorá má na rozhraní jury a kriedy vyvinuté bázické vulkanity – limburgity.[5]
Príkrovy fatrika a hronika boli na kryštalinikum nasunuté vo vrchnej kriede. Príkrovy tvorené hlavne vápencami a dolomitmi sú zachované najmä na severnej a východnej strane Tatier. Krížňanský príkrov (fatrikum) tu tvorí niekoľko čiastokých príkrovov – bujačiansky, bobrovecký a čiastkový príkrov Suchego Wierchu. Z vyššieho chočského príkrovu (hronikum) je v Tatrách prítomná len bielovážska sekvencia. V paleogéne došlo k pohybom pozdĺž zlomových porúch, ktoré spôsobili poklesy Liptovskej a Podhalskej kotliny. V neogéne, najmä v spodnom a strednom miocéne došlo pri záverečných fázach alpínskeho vrásnenia k pohybom hornín, ktoré mali za následok vznik asymetrickej hraste v oblasti východotatransko-ružbašského a západotatransko-kôprovského zlomu. Tatry sa v tomto období vyzdvihli o 1 000 až 1 500 m oproti svojmu okoliu, pričom východná časť sa zdvihla viac ako západná. Kinematika týchto pohybov je dodnes predmetom odborných diskusii. Tatry sú obklopené mladými súvrstviami podtatranskej skupiny.
Veľhorský charakter reliéfu pohoria, najmä z východnej strany, je zapríčinený činnosťou horských ľadovcov, ktorých činnosť sa prejavovala počas viacerých ľadových dôb v priebehu pleistocénu. Najlepšie zachované sú však stopy najmä dvoch posledných ľadových dôb (ris a würm). Bolo tu dohromady 41 horských ľadovcov, ktoré stekali dolinami, pričom sa zarezávali do podložia a vytvorili tak charakteristické doliny tvaru U, tzv. trógy. Najväčší z nich bol až 19 km dlhý, nachádzal v Bielovodskej doline[6]. Uloženiny tohto obdobia dosahujú miestami hrúbky okolo 400 m. Niekde možno v korytách potokov pozorovať zaujímavé geologické javy, tzv. obrie hrnce. Na viacerých miestach sú viditeľné ľadovcami nesené nevytriedené morénové valy, skladajúce sa z materiálu rôznej veľkosti, od obrovských balvanov, štrku, hliny až po jemnozrnný íl. Po oteplení začiatkom holocénu došlo k roztopeniu ľadovcov. Na niektorých miestach došlo k vzniku ľadovcových jazier – plies.
Geologické procesy mali výrazný vplyv na morfológiu a reliéf. V nižšej západnej časti došlo k vzniku hladko modelovaných dolín a chrbtov s tzv. hôľnym reliéfom, vo východnej časti, kde bolo zaľadnenie intenzívnejšie bol preformovaný do prevažne bralnatého glaciálneho reliéfu.