中生代侏罗系、白垩系和第三系主要由红砂岩、砾岩和泥岩组成。这座山雄浑曲折，主要受古水流冲刷，山坡上布满沟壑。山上什么也没有，基岩裸露在外，经常被风化的砂层覆盖。
盛夏，在烈日下，红色的岩石热浪滚滚，深红色的烟云蒸发，热气流不断上升，红色的砂岩像一群燃烧的火焰一样闪耀，因此得名火焰山。这是中国最热的地区，夏天的温度高达47摄氏度，据说山顶的温度可以达到80摄氏度。
火焰山是中国最热的地方。夏季最高温度高达47.8摄氏度，地表最高温度高达70摄氏度。鸡蛋可以在沙窝里烤。由于地壳运动和河流切割，山坡上留下了许多山谷，主要有陶尔谷、木头谷、於菟谷、莲木琴谷、苏坡谷等。然而，在这些山谷里，阳光灿烂，风景优美，流水潺潺，水果芬芳。
然而，因为整座山由砾石和泥岩组成，植物很难生长。因此，每年参观这座山的游客都觉得这座山非常荒凉，什么也没有生长。更为一同的是当夏天里的烈阳照射在山体时，山中的地气便会往上升腾，在阳光之下这些地气就宛如火焰一般，这一片片盘绕山体的云焰看着非常美丽，衬托着仿若是燃烧着的火焰山，很是美丽。
想要暂停一座这样的“火焰山”，现在（2008年）的方法与传说中略有不同。首先用推土机把火区作业面推平，然后用水管往火区灌水。待温度降到70摄氏度左右之后，开始用钻机往地下火源上钻孔。紧接着，往钻孔里灌黄土泥浆，用泥浆把地下裂缝堵住，阻隔火源和空气的接触。
终究一道工序是在地表上掩盖一层厚厚的黄土，以彻底使煤层脱离氧气。“现代铁扇公主”——新疆煤田救活工程处日前现已标明，最迟到2015年，新疆境内的悉数煤田火灾将被暂停。到那个时候，新疆境内将不会再有燃烧着的“火焰山”了。