I Københavns Kommune ligger toppen af de prækvartære lag, dvs. de lag, der er ældre end 2,6 mio. år, 5‑20 m under jordoverfladen. Her har bevægelser i jordskorpen skabt forskellige tektoniske strukturer. Blandt de mest markante er Carlsbergforkastningen, som er en flere kilometer lang og 400‑700 m bred brudzone med en lodret forskydning på over 50 m mellem de to brudflader. Forkastningen løber nordvest-sydøst gennem Københavns og Frederiksbergs prækvartære lag.
Vest for Carlsbergforkastningen består de øverste prækvartære lag af bryozokalk fra tidlig Danien, mens de øst for forkastningen udgøres af København Kalk fra sen Danien. Begge typer kalk er aflejret i havet og indeholder tynde lag af flint.
I den østlige del af kommunen findes også aflejringer fra Selandien. Disse lag er op til 6 m tykke og består nederst af et konglomerat, dvs. en blanding af forskellige grovkornede bjergarter i en finkornet masse. Derefter følger et lag af glaukonitholdigt sand og øverst lag af kalk og ler. Lagene, som er aflejret i havet på lavere vand, er gennemsat af forkastninger, hvoraf flere har samme orientering som Carlsbergforkastningen.
Under istiden dannede smeltevandet fra de store gletsjere en række dale, som i dag gennemskærer overfladen af de prækvartære lag. Desuden afsatte gletsjerne fra øst og nordøst op til 15 m tykke lag, som består af et nedre og et øvre lag af smeltevandssand og -grus med to mellemliggende morænelerlag adskilt af et lag af smeltevandssand. Nogle af istidslagene indeholder rav, som formentlig er transporteret hertil med isen fra landene omkring Østersøen.
Ved Trianglen og i Frihavnen er der desuden fundet aflejringer af gytje og tørv med plante- og dyrefossiler. Lagene er aflejret for mere end 200.000 år siden i en varmere periode under næstsidste istid, Saale.
I åer og søer samt langs kysten findes aflejringer, som er afsat i tiden efter sidste istid.
