Kotlina Jeleniogórska leży na obszarze jednostki zwanej przez geologów blokiem izersko-karkonoskim. Centralna jej część, jak i sąsiadujący z nią od południa główny grzbiet Karkonoszy, zbudowane są z granitów. Znajdujące się na zachodzie Góry Izerskie i Pogórze Izerskie, a także leżące na wschodzie Rudawy Janowickie zbudowane są ze skał starszych, wielokrotnie pofałdowanych i przeobrażonych. Przebiegający północną krawędzią kotliny uskok śródsudecki oddziela blok izersko-karkonoski od jednostki Gór Kaczawskich. Uskokowy charakter granicy północnej i częściowo granicy południowej zda się wskazywać prawdziwość stwierdzenia, że omawiane tu obniżenie jest zapadliskiem tektonicznym, jednakże nie stanowi to jednoznacznego wyjaśnienia genezy Kotliny Jeleniogórskiej.
Dzisiejszy krajobraz Sudetów Zachodnich kształtowały długotrwałe i skomplikowane procesy geologiczne. Około 320-300 milionów lat temu, w górnym karbonie, w istniejące tu starsze serie skalne zbudowane z gnejsów, łupków łyszczykowych i kwarcytów zaczęła wdzierać się magma. Nastąpiło to w czasie orogenezy waryscyjskiej, w okresie największego nasilenia ruchów fałdowych skorupy ziemskiej, kiedy powstały warunki sprzyjające wędrówce magmy ku powierzchni ziemi. Magma wydobywała się w południowej i wschodniej części kotliny, powodując przeobrażenia sąsiadujących z nią skał oraz wybrzuszenia skał nadległych. Sięgająca na głębokość 10 km kopuła granitowa stygła bardzo wolno. Jej strukturę komplikował powstający system spękań i szczelin, które wypełniały się utworami żyłowymi, takimi jak kwarc, aplity, lamprofiry czy mikrogranity. Utworzony w wyniku intruzji granit jest skałą zróżnicowaną i zasadniczo składa się z trzech odmian:
Przez około 45 milionów lat trwał proces tworzenia się - w wyniku intruzji skał - granitu. Towarzyszyło mu stopniowe niszczenie warstw skalnych zalegających na powierzchni. Z końcem permu (230-220 milionów lat temu) procesy erozyjne odsłoniły utworzony wcześniej blok granitowy. Później przez prawie 200 milionów lat blok izersko-karkonoski opierał się kolejnym zalewom morza, a procesy erozji i denudacji doprowadziły do niemal całkowitego zrównania terenu. Prawdopodobnie jeszcze 30 milionów lat temu dno Kotliny Jeleniogórskiej i główny grzbiet Karkonoszy znajdowały się na jednym poziomie, tworząc tzw. paleogeńską powierzchnię zrównania. Dopiero ruchy skorupy ziemskiej związane z tworzeniem się "alpidów" na południu Europy spowodowały dźwiganie i przesunięcia niektórych partii Sudetów. W końcu orogenezy alpejskiej Karkonosze podniosły się o około 800-1000 m ponad poziom dna Kotliny Jeleniogórskiej.
Ostatnim ważnym etapem w geologicznych dziejach tego obszaru była starsza epoka czwartorzędu - plejstocen. Nastąpiło wówczas silne ochłodzenie klimatu, co w efekcie przyniosło rozprzestrzenienie się rozległych czasz lodowych zalegających północną półkulę globu. Około miliona lat temu jedna z nich objęła swoim zasięgiem również i ziemie polskie, docierając w głąb Sudetów. Przed 450 tyś. lat lądolód przez Bramę Jeżowa wtargnął do Kotliny Jeleniogórskiej, zamykając odpływ rzekom. W efekcie powstało tu rozległe jezioro zastoiskowe, którego ślady w postaci iłów warwowych zachowały się na terenie Jeleniej Góry (cegielnia). Na dnie jeziora wody osadzały zawiesinę - latem jasną, a ciemną w zimie - tworząc swoisty "przekładaniec". Na podstawie ilości warstewek oceniono czas trwania jeleniogórskiego zastoiska na 3000-4500 lat. Lądolód posuwając się w głąb kotliny zdarł częściowo warstwę iłów i przykrył ją osadami moreny dennej. W czasie następnego zlodowacenia - środkowopolskiego - lądolód ponownie wtargnął do kotliny. Rozdzielił się wówczas na dwa jęzory: jeden posuwał się doliną rzeki Kamiennej, drugi zaś doliną Łomnicy. Ponad 50-metrową warstwą lodu z dna kotliny sterczały granitowe pagóry, m.in. charakterystyczne w dzisiejszym krajobrazie Kotliny Jeleniogórskiej pasmo Wzgórz Łomnickich. Te malownicze wzniesienia o zróżnicowanej rzeźbie buduje głównie granit porfirowy, a ich genezę tłumaczy się głównie selektywnym wietrzeniem skał.
Topnienie lodowca w Kotlinie Jeleniogórskiej dokonywało się przez rozpad lądolodu na bryły i bloki lodowe. Wytapiający się z nich materiał skalny osadzał się między krawędzią kotliny a martwym lodem, tworząc tzw. terasy kemowe. Ich fragmenty występują dziś w okolicy Piechowic, w Obniżeniu Jeżowa oraz na północnym skłonie Rudaw Janowickich w okolicy Janowie Wielkich. W czasie ostatniego, północnopolskiego zlodowacenia, zwanego także bałtyckim - około 60000 lat temu - lądolód nie dotarł już tak daleko na południe. Jednakże jego bliskość tak znacznie obniżyła temperaturę, iż w efekcie powstały lokalne lodowce górskie. Formy powstałe w wyniku ich działalności najlepiej widoczne są w rzeźbie północnego skłonu Karkonoszy.
Pozostałością po wydarzeniach geologicznych ostatniego miliona lat są osady czwartorzędowe, zalegające dno Kotliny Jeleniogórskiej. Ich miąższość, w zależności od ukształtowania granitowego podłoża, dochodzi do kilkudziesięciu metrów. Najstarsze są gruz i żwiry preglacyjne, które powstawały w chłodnym klimacie przed nasunięciem się lądolodu; nad nimi zalegają 3-8-metrową warstwą iły warwowe, które nakrywa dwupoziomowa partia glin zwałowych. Osady te dały uczonym podstawę do dyskusji nad ilością zlodowaceń na tym terenie. Wnioskom o istnieniu w kotlinie pozostałości dwu zlodowaceń (południowo- i środkowopolskiego) przeciwstawiono pogląd, iż wystąpiły tu tylko dwie fazy jednego zlodowacenia - środkowopolskiego. Na powierzchni, przykrywając gliny zwałowe, występują piaski i żwiry wodnolodowcowe tworzące w Kotlinie Jeleniogórskiej warstwę 4-6 m grubości oraz piaski i żwiry rzeczne budujące terasy doliny Bobru. Najmłodsze są piaski i żwiry z glinami napływowymi, nadbudowane w holocenie. Niezależnie od procesów naturalnych, w kształtowaniu dzisiejszej rzeźby Kotliny Jeleniogórskiej poważny udział miał człowiek. W wyniku jego działalności duże połacie terenu uległy przeobrażeniom i dewastacji.
