Budowa geologiczna Brama Lubawska stanowi najbardziej zachodnią część niecki śródsudeckiej. Obejmuje też niewielkie fragmenty bloku karkonosko-izerskiego (na zachodzie). Budowa geologiczna doliny jest zróżnicowana: występują tu głównie skały osadowe, a podrzędnie skały magmowe – wylewne i skały przeobrażone. Nieckę wypełniają warstwy karbońskie i permskie: przede wszystkim piaskowce, zlepieńce i łupki. Wśród osadów górnokarbońskich występują pokłady węgla kamiennego. Wzniesienia tworzą warstwy zlepieńców karbońskich, a przede wszystkim skał wulkanicznych – permskich porfirów oraz ich tufów. Na zachodzie niewielkie fragmenty u stóp Karkonoszy zbudowane są ze skał metamorficznych, należących do wschodniej osłony granitu karkonoskiego.
Rzeźba Rzeźba terenu jest urozmaicona. Występują tu izolowane wzniesienia, krótkie grzbiety i pasma. Niektórzy geografowie wyróżniają na tym obszarze Wzgórza Bramy Lubawskiej. Obejmują one zachodnią część Bramy, a według niektórych ciągną się aż po Marciszów (Góry Lisie). Pomiędzy nimi występują rozległe kotliny otoczone ze wszystkich stron górami.