Pétra est une ville « troglodyte » située au milieu d'escarpements rocheux et la pierre y est visible partout sur le site. Celle-ci est composée de grès à dominante rouge-brun, roche détritique issue de l’agrégation et la cémentation (ou diagenèse) de grains de sable. Il s'agit d'une roche cohérente7. Elle est organisée en strates, qui offrent parfois des déclinaisons de couleurs chatoyantes (allant du jaune au violet en passant par le rose) renforcées par l'intensité de la lumière réfléchie par les grains de quartz, particulièrement en fin d'après-midi1, d'où le nom sémitique de Reqem (la bigarrée) que lui ont donné les Nabatéens8.

La géologie de la région située à l'Est de la faille du Levant, est marquée principalement par la formation Umm Ishrin, série sédimentaire des grès de Nubie (en), de 300 à 350 mètres de puissance et qui date de la fin du Cambrien (500 millions d'années). Ces grès multicolores sont déposés dans un système de cours d'eau en tresses, d'où les figures de sédimentation typiques sur la roche (stratification croisée)9. Leurs différentes teintes sont dues aux infinies nuances des oxydes de fer (hématite rouge, goethite jaune-brun résultant de la précipitation du fer et son oxydation dans les eaux souterraines)Note 2 qui cimentent la roche, associés à des oxydes de manganèse qui donnent des teintes violacées ou à des joints ou fissures empruntées par des solutions réductrices de soufre (lits de pyrite à l'origine de teintes jaunes)10. Au Précambrien, des plissements forment de hautes montagnes que l'érosion réduit peu à peu. Au Cambrien, l'érosion éolienne provoque d'énormes dépôts, les grès de Nubie. Le paléo-océan Téthys recouvre presque toute la région recouverte de sédiments marins sur près de 1 000 m d'épaisseur. Au Crétacé, se déposent les sédiments calcaires qui forment la chaîne montagneuse centrale de Palestine due à l'orogenèse alpine au paléogène. Au miocène (de 23 à 8 millions d'années), la plaque arabique se sépare de celle de l'Afrique, ce qui se traduit par l'ouverture du grand fossé africano-levantin (le grand rift est-africain), et régionalement, au niveau de la faille du Levant, par le soulèvement de plateaux et d'épaulements associés à des failles visibles au niveau des escarpements imposants de grès11.

Pétra est située dans une région à forte sismicité. Elle se trouve à la limite entre deux plaques qui coulissent : la plaque d'Arabie et la plaque d'Afrique. Le 19 mai 363, en 419, 551 et 747, des tremblements de terre ont endommagé la ville et ses monuments12,A 1.

Aux alentours de Pétra, on peut trouver des roches contenant de la silice, que les Nabatéens ont pu extraire dans des carrières pour faire du béton imperméable13.

Pétra offre certaines curiosités géologiques comme des anneaux de Liesegang (en)14.

L'afflux touristique sur le site (100 000 visiteurs en 1990, 350 000 visiteurs en 1998) accélère la météorisation anthropogénique qui dégrade la surface rocheuse des parois internes des monuments15.