火焰山位于新疆吐鲁番盆地。它的整个山体，全部由红色的砂岩和页岩组成。这些砂岩和页岩是距今约1.7亿年前的中生代白垩纪早白垩世的砂粒和泥土堆积而成的。那时气候异常炎热，堆积的砂石泥土中的铁元素经过高温氧化，雨水淋漓，形成了大量红色的氧化铁。这些堆积物在喜马拉雅造山运动时，褶曲隆起，抬升成山，兀然崛起在深凹的吐鲁番盆地中，构成了火红底色的火焰山山体。
火焰山与一望无际的灰白色戈壁滩相映对照，红色的山体分外醒目。每当盛夏，晴空万里，气温奇高，灼人的阳光照射在山势奇特的红色岩石上，红光闪耀，热焰蒸腾，就像燃烧着熊熊烈火一样。