Гренландия располагается почти целиком в северо-восточной части Канадского щита, только на востоке и севере развиты зоны каледонской складчатости. Породы, слагающие щит, представлены гнейсами, кварцитами, мраморами и гранитами архейского и ранне­протерозой­ского возраста, вулканогенно-осадочными толщами среднепротерозойского возраста. Восточная зона каледонид отделена от щита глубинным разломом. Области каледонской геосинклинали выполнены терригенными и карбонатными толщами позднего протерозоя и карбонатными породами кембрия и ордовика, смятыми в силуре в складки. В девоне в межгорных впадинах происходило накопление континентальных пород. С конца палеозоя испытывает платформенное развитие. В мезозое отлагались песчано-глинистые породы. В кайнозое Гренландия поднялась, произошли расколы, с которыми связано излияние базальтов.

Полезные ископаемые приурочены к породам архейско-раннепротерозойского возраста (криолит на юге Гренландии; графит, мрамор — в западной Гренландии); с мезозоем связаны месторождения бурых углей. В восточной зоне каледонид обнаружены месторождения свинцово-цинковых и урановых руд. Выявлены также запасы нефти и газа.
В антропогеновое время началось оледенение, скрывшее подо льдом большую часть Гренландии; ледниками покрыто 1834 тыс. км² (в том числе 1726 тыс. км² ледниковым щитом, занимающим всю внутреннюю часть и некоторые береговые районы — 81 % территории острова). Поверхность ледникового щита постепенно повышается от берегов внутрь острова. Наиболее высокий участок щита имеет форму пологого свода, вытянутого с севера на юг и поделённого под 66°—67° 30′ северной широты поперечным понижением на 2 обширных купола. Северный купол достигает высоты 3300 м (под 71° северной широты и 39° западной долготы), южный — 2730 м (под 64° северной широты и 44° западной долготы). Ложе ледника имеет вогнутую форму. У западных краёв его поверхность лежит на высоте 600 м, у восточного и в районе южного купола — 1000 м, в центре острова — 0—100 м (местами ниже уровня океана). Средняя толщина ледника 2300 м, наибольшая — 3400 м. Объём льда — 2,6 млн км³. Поверхность покрыта слоем снега, перевеваемого ветром, образующим слабые всхолмления (заструги). Ниже уровня 1800—2000 м она слабо расчленена водными потоками, возникающими летом при таянии снега и льда, а у краев (на высоте 1000—1500 м) разбита трещинами глубиной до 30—40 м. Фирновая граница на леднике лежит на высоте 1200—1500 м. Верхние слои льда перемещаются от центра к западным и восточным краям ледника со средней скоростью около 150 м в год. У краёв скорость возрастает, на отдельных участках в движение приходит вся толща льда и образуются выводные ледники — узкие, продолговатые отростки щита, которые по долинам достигают океана. Выводные ледники двигаются со скоростью 20—40 м в сутки и дают начало айсбергам (до 100—135 м высоты над уровнем океана), которые выносятся в северную часть Атлантики и представляют большую опасность для судоходства. На северном склоне щита лёд малоподвижен.