长白山形成于1200万年前地质造山运动，经过多次喷发而拓成了巨型的伞面体，当火山休眠时涌泉溢出，形成十余平方千米的浩瀚水面。天池海拔2189.1米，略呈椭圆型，南北长4.4千米，东西宽3.37千米。
集水面积21.4㎞²，水面面积9.82㎞²，水面周长13.1千米，平均水深204米，最深处达373米。总蓄水量20.4亿立方米。天池水温为0.7℃-11℃，年平均气温7.3℃。
长白山为著名巨型复式火山，外围熔岩高原略呈不规则椭圆形，长轴约140公里,呈北东向延伸,短轴约120千米，经白垩纪末、中新世、上新世末到更新世初三次大的玄武岩喷溢堆叠形成的台地、高原、山地。
早期喷溢的原始形态已遭破坏，中期喷溢的则构成宽广高原主体，晚期喷溢除长白山外大部埋于河谷。三期喷溢堆积的总厚度约500-600米，总面积4500㎞²。长白山台地是在上新世晚期由碱性石英粗面岩喷发形成的，在第四纪又有大量基性熔岩喷溢形成16座山峰。
据记载于1597、1668和1702年又经3次小规模的喷发。长白山火山目前处于休眠期。但在海拔两千多米的山上，有多处温泉不断从地下溢出，这说明，地下仍孕育着巨大的能量。据近代地震观测，长白山区地壳相对稳定。长白尚无火山喷发的征兆。