绵阳市山区占61.0%，丘陵区占20.4%，平坝区占18.6%。地势为西北部高，东南部低，地形起伏很大。西北部面对四川盆地的首列山脉为东北西南向的龙门山脉，海拔1000米至3000多米;其西面的岷山山脉和北面的摩天岭山脉，海拔多在3000米以上。最高点为平武县与松潘县接壤的岷山山脉第二峰(松潘县境雪宝顶之东南侧峰)，海拔高达5440米。东南部属四川盆地盆中丘陵，一般海拔400～600米，最低点位于三台县建中乡郪江河谷的短沟口，海拔307.2米。市境最高点与最低点高差达5092.8米。
地貌明显受控于地质构造。西北部因分别受龙门山北东向褶皱断裂与岷山南北向构造、摩天岭东西向构造的影响，山脉走向呈北东南西向、与南北向和东西向;山地的形态亦与地质构造和岩性有关。东南部处在扬子准地台川北台陷、川西台陷和川中台拱的接合部位，由于地台基底坚硬，地质历史时期地壳以升降运动为主，地层受各时期水平运动的影响较轻，有一些舒缓宽阔的褶皱，地层一般倾角不大，形成岗岭起伏的丘陵、台地、方山地貌。
四川绵阳位于龙门山地震带。四川省的地震大多分布在东经104度以西地区，主要集中在鲜水河地震带、安宁河-则木河地震带、金沙江地震带、松潘-较场地震带、龙门山地震带、理塘地震带、木里-盐源地震区、名山-马边-昭通地震带等。龙门山地震带从青川县起，经北川、茂县、绵竹、汶川、都江堰、大邑、宝兴等县市，到泸定县附近为止，呈东北-西南方向展布，与龙门山脉大体一致，带内曾发生过6.0-6.9级地震5次，最大地震是2008年汶川8.0级大地震。2013年4月20日，北京时间8时02分位于雅安芦山县发生7.0级强震，其为龙门山地震带南段。
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