Осевая часть южной половины хребта сложена палеозойскими и протерозойскими кристаллическими сланцами и гнейсами, прорванными интрузиями гранитов. По краям древних пород залегают мезозойские песчаники, сланцы и вулканические породы. В центральной части хребта происходили четвертичные вулканические извержения, поэтому имеются большие площади излившихся андезитов и базальтов, древние вулканические конусы, кальдеры, остатки сильно разрушенных вулканов. Вулкан Ичинская Сопка, покрытая снегами и ледниками, по-видимому, еще не окончательно потух. Отчетливо сохранились в хребте следы поверхностей выравнивания и древнеледниковые формы - кары, троги, измененные в более позднее время эрозионными процессами.
Восточный хребет состоит из отдельных изолированных крупных хребтов: Ганальский, Валагинский и Кумроч. Их склоны асимметричны - крутые короткие западные и более пологие восточные, переходящие в восточное вулканическое плато. Здесь возвышаются потухшие и действующие вулканы. Плато образовано продуктами извержения - лавами, туфами, вулканическим песком и пеплом, залегающими горизонтально или с небольшим наклоном. Оно расчленено широкими речными долинами, часто заболоченными, с мелкими озерами-старицами.
На западе Камчатки простирается Западно-Камчатская низменность, сложенная породами кайнозойского возраста: песчано-глинистыми и рыхлыми отложениями с пластами каменного угля и признаками нефти.
Макрорельеф Камчатского полуострова сформировался в кайнозойскую складчатость, во время которой происходили складчатые дислокации, надвиги, разломы, перемещение отдельных блоков, внедрение магмы и извержение вулканов. Они создали складчатые, складчато-глыбовые, вулканические хребты и нагорья.
Во время тектонического покоя, на границе неогена и четвертичного периода, происходило выравнивание рельефа молодых складчатых структур. В начале четвертичного периода территория Камчатки испытала общее поднятие, которое привело к образованию глубоких расколов, излиянию базальтовых лав и дифференцированным движениям отдельных крупных блоков. Амплитуда вертикальных перемещений за четвертичное время достигает 500 м и более. Крупнейшие опускания, предшествовавшие вулканизму, произошли в Центральной Камчатской депрессии и в восточной вулканической зоне.
Основные линии разломов простираются в северо-восточном и северо-западном направлениях и определяют крупные орографические элементы, конфигурацию полуострова и развитие вулканов, горячих источников и гейзеров.
На Камчатском полуострове выделяют два крупных антиклинория: Камчатско-Корякский и Восточно-Камчатский, создающие в рельефе горные системы. Между антиклинориями расположен Внутренний Центральнокамчатский прогиб, образующий Центральную Камчатскую депрессию. Перечисленные тектонические структуры предопределили основные орографические районы полуострова.
На Камчатке широко распространен вулканический рельеф. Большие площади занимают вулканические плато, над которыми возвышаются вулканические конусы. Всего на Камчатке насчитывается 160 вулканов, из них 28 действующих. Вулканы располагаются двумя полосами: вдоль Срединного хребта и вдоль восточного побережья. Они входят в Камчатско-Курильскую тектоническую и вулканическую дугу, составляющую северную часть Тихоокеанского вулканического кольца. Интенсивные излияния были в основном в мезозое в кайнозое. В настоящее время извержения значительно слабее. В дочетвертичное и раннечетвертичное время лава изливалась по трещинам и каналам; теперь же известны только центральные извержения в зонах молодых тектонических движений - на востоке и в Центрально-Камчатской впадине. Там происходят напряженные сжатия литосферы, в пределах земной коры и верхней мантии.
Вулканы расположены линейно по трещинам в северо-западном, северо-восточном и меридиональном направлениях. В морфологическом отношении типы вулканов на Камчатке очень разнообразны: они зависят от состава лав, вулканической деятельности, возраста вулканических конусов. Следует выделить три основных типа вулканов.
1. Вулканы правильной конической формы. Это Ключевская, Кроноцкая и Корякская Сопки. Ключевская Сопка - крупнейший действующий базальтовый стратовулкан Евразии, ее высота - 4688 м. Усеченный конус вулкана имеет чашеобразный кратер диаметром около 600 м и глубиной от 100 до 200 м. Края кратера обрывистые, местами покрыты глыбами льда и фирна. Внутри него находится малый кратер (размерами 75 х 100 м). За последние 250 лет Ключевская Сопка извергалась более 50 раз с интервалами от одного года до пяти-девяти лет. Во время извержений выбрасывается обломочный вулканический материал, изливается базальтовая лава. Лава довольно подвижна и образует потоки длиной до 10-15 км. Температура лавы достигает 1000-1100°С.
2. Тип Сомма-Везувий, или «вулкан в вулкане». Примером может служить вулкан Авачинская Сопка (2741 м), находящийся в 35 км от Петропавловска-Камчатского.
3. Кальдерный тип. Это остатки бывшего вулкана с огромным кратером-кальдерой (в диаметре до 3-10 км) - и сохранившейся нижней частью конуса. Ровное дно кальдеры заполнено водой или сухое. Образование таких вулканов связано с сильными взрывами и длительными процессами разрушения склонов (вулкан Узон). На полуострове часто бывают земле- и моретрясения, создающие сильные волнения моря.
На климат Камчатки оказывают влияние Охотское и Берингово моря и холодное Курило-Камчатское течение, омывающее восточные берега полуострова. Камчатку называют краем циклонов. В среднем за год над ней проходит около 100 циклонов и более 30 антициклонов. Климат суровый, с холодной зимой и коротким прохладным дождливым летом. Средняя годовая температура на севере -4°С, а на юге 0°С. Преобладают пасмурные типы погоды, так как циклоническая деятельность развита круглый год.
Зима на Камчатке длится с декабря по март. Воздушные течения направляются на Камчатку из Азиатского максимума. Основное направление ветров зимой западное и северо-западное. Ветры сухие, холодные. На Срединном хребте и в долине Камчатки давление воздуха высокое, а на побережьях - ниже, поэтому образуются местные воздушные потоки, растекающиеся от центральной части Камчатки к побережьям. Низкая температура зимой на Камчатке объясняется притоком холодного воздуха с севера (с Чукотки и с Берингова моря), из Сибири и стоком холодного воздуха на дно долин. Поэтому в долинах и в Центрально-Камчатской депрессии наиболее низкая температура. Абсолютный минимум равен -50°С. Несколько теплее на побережье, причем западное побережье холоднее восточного. Это объясняется охлаждающим влиянием западного воздуха и покрытого льдом Охотского моря.
В связи с циклонической деятельностью, развивающейся на Охотском и Беринговом морях, по линии арктического фронта на Камчатке бывают обильные снегопады, часты метели. На восточном побережье высота снежного покрова достигает 130 см и даже 3 м, а на западном побережье - лишь 40 см. Санный путь в Камчатской впадине длится с 20 ноября по 1 мая.
Весна холодная и развивается очень медленно. Переход среднесуточной температуры через 0°С происходит в первую половину мая.
Лето прохладное, пасмурное и сырое. Летний поток воздуха направляется с юго-востока на северо-запад. На всем полуострове в летний период выпадает максимум осадков. Они распределяются по территории неравномерно: на юго-востоке среднегодовое количество их достигает 1500-2000 мм, на западном побережье - до 600 мм. Осень на Камчатке дождливая и прохладная, но более теплая, чем весна.
Древнее оледенение на Камчатке занимало большие площади. Следы его всюду сохранились в горных районах. Свободными от ледника были лишь Западно-Камчатская низменность, кроме северной ее части, и Центрально-Камчатская котловина.
Современное оледенение развито в Срединном хребте, на восточных вулканах и на Кроноцком полуострове. Общая площадь оледенения 874,1 км2, количество ледников - 405. Камчатка - особая область оледенения, так как здесь оледенение сочетается с вулканической деятельностью. Поэтому типы ледников, накопление и таяние льда во многом зависят от проявления вулканической деятельности. Во время извержений рельеф склонов сопок меняется, а это вызывает изменения в расположении ледников. Ледники Камчатки разнообразны: широко развиты каровые и висячие, имеются звездообразные, переметные, долинные ледники, каровые и фирновые снежники. Специфическими формами ледников, связанными с развитием вулканизма, являются ледниковая шапка, ледниковый пояс и ледники барранкосов.
Речная сеть Камчатки характеризуется большой густотой. Этому способствуют сильно пересеченный горный рельеф, значительное количество осадков и выходы многочисленных источников в трещиноватых породах. Среди них самой длинной и многоводной является река Камчатка (около 700 км). Питание рек разнообразное. Реки, начинающиеся высоко в горах, основное питание получают от таяния снегов, а некоторые и от таяния ледников. Это типичные горные реки с порожистым руслом, узкими долинами и быстрым течением. Многие реки питаются преимущественно подземными источниками, и поэтому их называют ключевыми. Режим таких рек характеризуется незначительным колебанием уровней и расходов воды и постоянной температурой. В реку Камчатка впадает большое количество теплых и горячих источников, поэтому местами имеются полыньи, а участки рек с быстрым течением зимой не замерзают.
Озер на Камчатке немного, но происхождение их довольно различное. Наиболее живописны вулканические озера, образующиеся в кратерах и кальдерах потухших вулканов. Озеро Курильское занимает древнюю кальдеру диаметром до 12 км и глубиной 306 м. Оно окружено со всех сторон вулканами и питается многочисленными теплыми потоками. Кроноцкое озеро расположено около Кроноцкой Сопки на высоте 372 м. По площади (200 км2) это самое крупное кальдерное озеро на Камчатке, глубина его 128 м. В районе вулканизма и молодых тектонических движений имеются тектонические озера, например Дальнее (около вулкана Авачинская Сопка). На восточном побережье образуются озера-лагуны, из них крупнейшее - мелководное Нерпичье, расположенное в устье реки Камчатка. Озеро имеет соленую воду и в нем водится морская сельдь. Во время высоких приливов вода заплескивается в озеро через песчаную косу, а с водой попадает туда и сельдь.