Latvija atrodas tektoniski stabilā, ģeoloģiski senā teritorijā – Austrumeiropas kratona ziemeļrietumos, vienlaikus Eirāzijas litosfēras plātnes rietumos. Latvijas ģeoloģiskajā uzbūvē var nodalīt trīs pamata elementus: proterozoja pamatklintājs, kas veido cietu, kristālisku pamatni zem nogulumiežiem; slāņota nogulumiežu sega; to pārsedzošā kvartārsega, kas lielā mērā veidojusies apledojumu ietekmē.

Pamatklintāja virsmas dziļums Latvijā ir atšķirīgs, tas kopumā palielinās no ziemeļaustrumiem (300 m) uz dienvidrietumiem (1900 m). Latvijā vietām ir arī krasas, lokālas pamatklintāja virsmas dziļuma izmaiņas. Pamatklintājs sastāv no cietiem, blīviem, kristāliskiem iežiem, kuru vecums ir proterozojs. Dominējošie ir metamorfie ieži (gneisi, migmatīti, amfibolīti) un slānekļi, taču daudz ir arī magmatisko iežu (granītu, anortozītu, gabro un citu).

Pamatklintāju pārsedz nogulumiežu sega, kuras vecums mainās no ediakara līdz kvartāram. Kurzemes rietumos nelielā laukumā un Latvijas austrumos plašā teritorijā proterozoja pamatklintāju pārsedz ediakara nogulumieži. Tie ir līdz 30 m (rietumos) un līdz 170 m (austrumos) biezi smilšakmeņi, gravelīti, aleirolīti un māli. Ediakara apakšējā daļā nogulumiežos ir vulkāniskā materiāla piejaukums. No organismu atliekām ediakara slāņkopā Latvijā ir sastopamas Vendotaenia tipa aļģu plēvītes un akritarhi.

Kembrija nogulumieži izplatīti visā Latvijas teritorijā, un to biezums mainās no 12 m (pie Strenčiem un Skrīveriem) līdz 258 m (pie Grobiņas). Tie pēc sastāva ir līdzīgi ediakara slāņkopai, taču tajos nav grants (gravelītu) un vulkāniskā materiāla piejaukuma. Kembrija slāņkopu veido tikai drupieži – smilšakmeņi, aleirolīti un māli ar glaukonīta, vietām pirīta piejaukumu. Dažos griezuma intervālos ir dēdējumgarozu pazīmes. No fosilijām kembrija slāņkopā ir trilobīti, akritarhi, lingulātu brahiopodi, kā arī tārpi un to ejas.

Ordovika nogulumieži izplatīti visā Latvijā, izņemot nelielus laukumus Ziemeļvidzemē – Valmieras–Lokno pacēlumā. Ordovika slāņkopas biezums ir līdz 250 m (Latvijas rietumos). Apakšējo ordoviku Latvijā pārstāv smilšakmeņi, māli un ar glaukonītu bagāti nogulumieži, bet vidējā un augšējā ordovika iežu sastāvs ir krasi atšķirīgs: kaļķakmeņi, merģeļi, māli un argilīti. Ordovika ieži ir bagāti ar fosilijām: galvkājiem, brahiopodiem, gliemeņvēžiem, graptolītiem, konodontiem, trilobītiem, hitinozojiem, koraļļiem un citiem. Sevišķi bagāta fauna raksturīga augšējā ordovika iežiem, jo ordovika beigās Baltijas paleokontinents, virzoties uz ekvatoru, iekļuva siltāka klimata apstākļos nekā ordovika sākumā un vidū. Siltajā jūrā bija optimāli organismu dzīves apstākļi.

Silūra nogulumieži izplatīti gandrīz visā Latvijas teritorijā, izņemot Latgales dienvidaustrumu un Vidzemes ziemeļaustrumu daļu, kur tie ir noārdīti un ordovika slāņkopu pārsedz devona ieži. Silūra biezums Latvijā mainās no 634 m pie Jūrkalnes līdz 50 m Ludzas apkārtnē. Silūra nogulumiežu sastāvs ir ļoti līdzīgs vidējam un augšējam ordovikam – kaļķakmeņi, merģeļi, māli, argilīti, kā arī dolomīti. Silūra jūras siltajā ūdenī dzīvoja daudzveidīgi čaulainie bezmugurkaulnieki, koraļļi, stromatoporāti u. c. organismi, kuru fosilijas sastopamas nogulumiežos.

Devona nogulumieži izplatīti visā Latvijā, un to kopējais biezums mainās no 100–220 m (ziemeļu un austrumu daļā) līdz 815 m (rietumu daļā). Šo iežu sastāvs ir daudzveidīgs. Apakšējā un vidējā devona slāņkopu veido drupieži (smilšakmens, aleirolīts un māls). Izņēmums ir vidējā devona Narvas svīta, ko veido mālaini dolomītiska sastāva ieži. Augšējā devona griezumam raksturīga karbonātiežu un drupiežu slāņmija. Salaspils svītā un vietām citās griezuma daļās ir ģipši un nogulumi ar ģipša piejaukumu. Sastopamas arī citas jaukta sastāva nogulumiežu kombinācijas. No organismu atliekām smilšakmens, māla un aleirolīta slāņkopās biežāk izplatīti mugurkaulnieki – bruņuzivis, bezžokleņi, daivspurzivis, akantodes –, bet augšējā devonā – arī četrkājainie. Dolomītos pārsvarā ir bezmugurkaulnieku (stromatoporu, koraļļu, gliemeņvēžu, gliemežu, gliemeņu, brahiopodu, sūneņu un jūras liliju) atliekas. Devona nogulumieži dažādā stratigrāfiskajā apjomā izplatīti visā Latvijas teritorijā. Atsegumos var novērot dažāda vecuma vidējā–augšējā devona nogulumus. Senākie Latvijas sauszemes teritorijā zemkvartāra virsmā atsegtie ieži atbilst vidējā devona Narvas svītai, savukārt paši jaunākie devona nogulumieži pieder augšējā devona Šķerveļa svītai un sastopami atsegumos Kurzemē.

Karbona, perma, triasa un juras nogulumieži Latvijā sastopami tikai Dienvidkurzemē. Karbonu Latvijā pārstāv tā apakšējā daļa (Turnē stāvs), ko veido līdz 80 m biezi, pēc sastāva augšējam devonam līdzīgi nogulumieži: smilšakmeņi, māli, aleirolīti, dolomītmerģeļi un dolomīti. Karbona slāņkopā ir maz fosiliju: zivis, sporas un akritarhi. Karbona sistēmas nodalīšana Latvijā ir nosacīta, jo attiecīgo nogulumu vecums identificēts vien pēc retām zivju fosilijām.

Perma sistēmu Latvijā pārstāv Lopingas nodaļas Verras reģionālā stāva Naujoji Akmenes svīta, ko veido kaļķakmeņi, mazāk dolomīti. Plaši šo kaļķakmeņu atsegumi ir Kūmu karjera sienās, kā arī agrākajos karjeros: Sātiņos, Alšos un citos. Perma slāņkopas biezums Latvijas teritorijā ir neliels – 15–35 m. Perma nogulumieži ir bagāti ar fosilijām, taču to sugu skaits nav liels. Dominē gliemeņu atliekas, taču ir arī foraminīferas, brahiopodi un gliemeņvēži.

Latvijā ir apakšējā triasa Indas stāva Nemunas svītas nogulumi, kuru biezums ir līdz 74 m. Tie galvenokārt ir māli, kuros dominē māla minerāls smektīts, mazāk ir aleirītu, smilšu un smilšakmeņu. Šajos nogulumos ir maz fosiliju – lapkājvēzīši, sīki gliemeži, ganoīdu zivju zvīņas, kā arī sporas.

Latvijā ir pārstāvēti līdz 25 m biezi vidējās juras Kelovejas stāva un, iespējams, arī augšējās juras Oksfordas stāva nogulumi. Kelovejas stāva apakšējā daļa sastāv no baltām un gaišpelēkām kvarca smiltīm, pelēkiem un melniem kaolinīta māliem, kā arī brūnoglēm. Nogulumos ir daudz augu atlieku. Kelovejas stāva vidējās un augšējās daļas nogulumi ir smilšakmeņi un māli, vietām ar karbonātu konkrēcijām. Raksturīgas bagātīgas jūras bezmugurkaulnieku fosilijas: amonīti, gliemenes un foraminīferas. Pēc foraminīferu atradumiem konstatēts, ka vietām Latvijā sastopami augšējās juras Oksfordas stāva nogulumi. Juras nogulumi Latvijā ir ievērojami pārveidoti pleistocēna apledojumos. Par juru jaunāki un par kvartāru senāki (krīta, paleogēna un neogēna sistēmas) veidojumi Latvijā līdz šim nav atklāti.

Visā Latvijas teritorijā sastopami dažāda biezuma un vecuma kvartāra nogulumi. Vidējais kvartārsegas biezums Latvijā ir 5–20 m zemienēs un 40–60 m augstienēs, bet Vidzemes augstienē tas sasniedz pat 210 m. Lielākais kvartārsegas biezums (310 m) ir Aknīstes apraktajā ielejā. Kvartāra nogulumus pārstāv galvenokārt augšējā pleistocēna Vislas apledojuma morēnas nogulumi, šī paša vecuma ledāja kušanas ūdeņu straumju smilts un grants nogulumi, kā arī ledāja kušanas ūdeņu baseinu māli un aleirīti. Senāko Zāles un Elsteres apledojumu nogulumi pārsvarā izplatīti augstienēs, bet zemienēs tie atrasti apraktajās ielejās. Par vēl senāku apledojumu nogulumu sastopamību Latvijā nav pārliecinošu pierādījumu. Vietām Latvijā atklāti arī starpleduslaikmetu nogulumi, kuri pārveidoti apledojumu laikā. Leduslaikmeta beigu posmu Latvijā pārstāv lokālo ledus ezeru un Baltijas ledus ezera smilšainie, aleirītiskie un mālainie nogulumi. Visjaunākā kvartārsegas daļa ir holocēna nogulumi, kas veidojušies mūsdienām līdzīgos apstākļos. Tie ir Litorīnas jūras un mūsdienu Baltijas jūras akmeņainie, granšainie un smilšainie nogulumi, ezeru smiltis, gitija un kaļķieži, upju grants un smilts, kāpu smiltis, augsto, zemo un pārejas tipa purvu kūdra, avotu kaļķieži un dzelzs oksīdu sakopojumi, kā arī citi nogulumi.

Iežu uzbūves un sastāva pētījumi sniedz iespēju precizēt to veidošanās apstākļu interpretācijas, veikt paleoģeogrāfiskās rekonstrukcijas un noskaidrot to praktisko nozīmi. Proterozoja pamatklintāja pētījumos aktuālie jautājumi – seno litosfēras plātņu kustību analīze un pamatklintāja uzbūves pētījumi, izmantojot ģeofizikālas metodes. No pirmskvartāra nogulumiežiem plaši pētījumi aptver devona slāņkopu. Aktuālākie jautājumi ir sedimentācijas apstākļi devona baseinos, paisuma un bēguma procesu ietekmes analīze, senie organismi un to dzīves apstākļi, it īpaši zivju un četrkāju paleontoloģiskie pētījumi. Nozīmīgs ir jautājums par paleokarsta procesu norises laiku, mehānismu un ietekmējošajiem faktoriem. Aktuāli ir pētījumi par kvartāra nogulumu sastāvu, uzbūvi un Latvijas reljefu. Tie ļauj analizēt pleistocēna ledāja vidi un tās laiktelpiskās izmaiņas, nogulumu uzkrāšanās un reljefa veidošanās procesus leduslaikmeta beigu posmā un pēcleduslaikmetā, kā arī holocēna dabas vides laiktelpiskās izmaiņas.

Unikāli ģeoloģiskie objekti, kas ļauj iepazīt Latvijas nogulumiežu segas virsējās daļas daudzveidību, ir iekļauti Ministru kabineta “Noteikumos par aizsargājamiem ģeoloģiskajiem un ģeomorfoloģiskajiem dabas pieminekļiem” (17.04.2001.). Kopumā Latvijas aizsargājamo ģeoloģisko un ģeomorfoloģisko dabas pieminekļu skaitā ir 178 objekti, no kuriem Latvijas ģeoloģisko uzbūvi raksturo 89 pirmskvartāra iežu (pamatiežu) atsegumi, 14 kvartāra nogulumu atsegumi, 1 bruņuzivju iegula, 5 karsta veidojumi un 8 ūdenskritumi. Daļa uzskaitīto objektu ir kompleksi un atbilst vairākām šīm kategorijām vienlaikus. Pārējie objekti vairāk raksturo reljefa formas un ir ģeomorfoloģiski dabas pieminekļi. Ministru kabineta noteikumos kā aizsargājami iekļauti visi Latvijas dižakmeņi ar virszemes tilpumu >10 m³. Daudzi no šiem dabas pieminekļiem ietilpst lielākajās Latvijas īpaši aizsargājamajās dabas teritorijās: nacionālajos parkos, Ziemeļvidzemes biosfēras rezervātā, dabas rezervātos, dabas parkos, aizsargājamo ainavu apvidos un dabas liegumos.

Latvijas ģeoloģiskajā vēsturē izceļas aktīvie notikumi proterozojā, kad mikrokontinenti un salu loki sadūrās ar lielākiem kontinentiem un notika magmatisma un metamorfisma procesi. Šo procesu pazīmes saglabājušās proterozoja pamatklintājā. Kopš proterozoja beigām (ediakara) un līdz pat mūsdienām ir mijušies nogulumu veidošanās un to erozijas procesi kopumā mierīgā tektoniskā režīmā. Atsevišķos laikposmos saistībā ar litosfēras plātņu sadursmēm Austrumeiropas kratona malās tektoniskās kustības aktivizējās. Intensīvas tektoniskās kustības, iespējams, notika devona perioda sākumā, kad Latvijas teritoriju ietekmēja Skandināvijas kalnu veidošanās procesi. Šie procesi risinājās Baltijas un Laurentijas seno kontinentu sadursmes ietekmē. Šajā laikā notika pārbīdes Liepājas–Pleskavas lūzumu zonā un, iespējams, citur Latvijā.

Neparasts ģeoloģisks notikums ir Dobeles astroblēmas – bolīda trieciena krātera – izveidošanās. Šīs struktūras diametrs ir 3,5–4 km, tās centrālajā daļā par 450 m ir pacelti vidējā devona ieži, bet malās esošos aptuveni 350 m dziļos iegruvumos ieguļ augšējā devona, karbona, perma un triasa nogulumi, tādējādi kopējais iežu pārvietojums ir aptuveni 800 m. Par šīs struktūras vecumu pagaidām ir pretrunīgi dati – tā veidojusies vai nu karbonā, vai nezināmā laikposmā starp triasu un kvartāru.

Aktīvu ģeoloģisko procesu ietekmē veidojušās arī līdz 100–120 m dziļās paleokarsta kritenes, kuru diametrs ir līdz 100 m un kuras samērā plaši izplatītas augšējā devona nogulumiežos. Lielākās kritenes šķērso augšējā devona Amatas–Stipinu svītas iežus, un to pamatne ir vidējā devona Gaujas svītas mālu augšā. Šīs kritenes aizpilda devona smilšainie, mālainie u. c. sastāva nogulumi. Kritenes veidojušās kombinētu karsta un sufozijas procesu darbības rezultātā. Šo procesu norises laiks, visticamāk, bija neogēna periods, kad bija mitrs un silts klimats ar intensīvu pazemes ūdeņu plūsmu, iežu šķīšanu un izskalošanu, kā arī šos procesus sekmēja tā laika dziļās upju ielejas.

Savdabīga ģeoloģiskā uzbūve ir aptuveni 20 km² plašai teritorijai pie Virešiem, kur ģeoloģiskās kartēšanas darbos nodalīta Virešu brahiantiklinālā struktūra – kupolveida pacēlums pie lūzuma. Šajā teritorijā ir sarežģītas devona Amatas–Daugavas svītas pamatiežu attiecības, kas izpaužas kā jaunāku iežu bloku sastopamība senāku iežu izplatības laukumos, iežu deformācijas un vietām, piemēram, Jaunžagatu klintīs, iespējams, pat sagulums apgāztā veidā. Šo uzbūvi noteica vai nu sufozijas procesi, vai ledāja darbība, vai arī dažādu ģeoloģisko procesu mijiedarbība, kas jānoskaidro turpmākajos pētījumos.