Bien que ne comportant ni vastes plaines, ni montagnes élevées, le relief de la Meurthe et Moselle est loin d’être uniforme et présente une succession de côtes et de plateaux. Son point le plus bas se situe à Pagny-sur-Moselle (170 m d'altitude) et son point le plus haut au roc de Taurupt près de Bionville (728 m) à proximité des Vosges.

La Meurthe et Moselle fait partie de la Lorraine, région formée par la partie Est des plus anciennes auréoles concentriques du Bassin Parisien, entre les Vosges et la Champagne. L’alternance de roches tendres et dures a donné naissance à des "côtes" très prononcées dans la partie Ouest du département, mais fort délabrées dans la partie orientale.

Toutes les couches géologiques du département appartiennent à l’ère secondaire et forment deux grands groupes :

Le trias à l'Est composé de trois étages :

• L'étage des grès avec le grès vosgien en limite des Vosges constitué de grains de quartz agglutinés par un ciment ferrugineux et de galets siliceux. Il donne des sols sablonneux, secs, légers et très pauvres en éléments fertilisants. Lui succédant, nous trouvons le grès bigarré sur une largeur inférieure à 10 km, caractérisé par la finesse des grains de quartz et l'abondance d'un ciment argileux diversement coloré. Les sols sont un peu mieux constitués, un peu plus riches en potasse, mais toujours pauvres en acide phosphorique.
• Le muschelkalk ou calcaire coquillier que l'on rencontre au Nord de Baccarat et sur le canton de Blâmont. Il est constitué par des bancs épais de calcaires durs, riches en fossiles et mélangés d'argiles. Ces terres argilo-calcaires sont lourdes, souvent pierreuses mais néanmoins assez riches en tous éléments.
• Le Keuper ou marnes irisées s'étend au Nord et au Sud de Lunéville et dans la région de Blâmont. Cet ensemble d'argiles et de calcaires donne des terres fortes ou "grosses terres" riches en éléments fertilisants. On trouve principalement :
  • Les argiles gypseuses et salifères de Dombasle qui forment d'importants gisements de sel gemme.
  • Des argiles fortement colorées renfermant des bancs de sulfate de chaux et de magnésie.

Ces marnes irrisées sont masquées sur une grande surface à l'Est de Lunéville par des alluvions anciennes gréseuses descendues des Vosges et donne des terres froides sableuses qui reposent sur un sous-sol imperméable. Ce sont les "blanches terres" pauvres en fertilisants.

Les terrains jurassiques à l'Ouest du plateau triasique forment trois étages et occupent la majeure partie du département.

• Le lias occupe à peu près tout l'arrondissement de Nancy et est constitué par une succession de lits de marnes intercalés entre des bancs de calcaires. Il se termine par l'aalénien, étage du minerai de fer qui s'étend depuis la région de Nancy jusque dans le Nord du département dans toute la région de Longwy. Partout, on note une forte proportion d'argiles donnant des sols argilo-calcaires ou argilo-siliceux toujours compacts et généralement riches en éléments fertilisants (acide phosphorique).
• Le jurassique moyen, composé par l'ensemble calcaire bathonien-bajocien, forme un plateau calcaire dissymétrique. A l'Est, il domine la plaine liasique par un talus abrupt et continu appelé la "côte de Moselle", tandis qu'il se prolonge en pente douce vers l'Ouest. Des lambris de cette côte subsistent sur l'étage liasique formant en plusieurs endroits des buttes telles les buttes du Grand Couronné, la Côte de Sion-Vaudémont (545 m). Le Bajocien est exclusivement calcaire et forme une mince bordure en corniche à l'Est du plateau. Le Bathonien est beaucoup plus rocheux et piqué de couches gréseuses dans ses parties inférieures, argileuses dans ses parties supérieures. Au Nord, dans le Pays-Haut, les sols argilo-siliceux profonds et de bonne qualité dominent tandis que, de Chambley à Colombey, apparaissent surtout des sols argilo-calcaires légers et sensibles à la sécheresse.
• Le jurassique supérieur se compose de deux étages :
  • Un étage de couches tendres oxfordien – callovien composé de marnes calcaires qui affleurent en bordure du département de la Meuse en deux zones distinctes : au Nord à l'Ouest de Conflans et de Chambley, et au Sud dans la région de Toul. La forte proportion d'argile grasse qui recouvre ces marnes calcaires donne des sols lourds, imperméables et très difficiles à travailler.
  • Dominant cette dépression, un ensemble de terrains calcaires pierreux appartenant au Lusitanien forme les Côtes de Meuse. Ce plateau, très entaillé, ne forme qu'une simple avancée dans le département à l'Ouest de Toul. Dans les parties hautes où le calcaire est abondant, la terre est perméable et superficielle. A mesure que l'on descend, le sol est plus profond et plus riche en argile.

Quant aux alluvions modernes, elles ont été déposées dans le fond des vallées de la Moselle, de la Meurthe et de leurs affluents ainsi que dans celle de la Seille. De nature variable : granitiques et quartzitiques pour la Moselle, quartzitiques pour les affluents de la Moselle et de la Meurthe issus des Vosges gréseuses, elles donnent des sols sableux qui, améliorés par le drainage et les engrais sont devenus d'excellentes terres agricoles notamment pour les cultures maraîchères et les prairies naturelles. Elles sont également recherchées pour leur matériau et sont le siège de nombreuses sablières. C'est dans la nappe phréatique des alluvions modernes que l'on pompe l'eau destinée à l'alimentation humaine. Un relief varié, des sols de composition très différente recouvrant un sous-sol très diversifié ont permis de déterminer six régions naturelles ayant chacune leurs caractéristiques agricoles propres : la Montagne Vosgienne, le Plateau Lorrain, le Pays Haut, la Haye, la Woëvre et les Côtes de Meuse. Couvrant la moitié du département, le Plateau Lorrain n'est pas uniforme et présente plusieurs "petits pays" d'aspect et de caractères agrologiques différents.