thumb|Geologisk kort over Bornholm (Varv 1977). thumb|Reliefkort over Bornholm og Christiansø. Forskellige sæt af retlinede spaltedale gennemskærer det højtliggende grundfjeldsområde mod nord, som er skarpt afgrænset mod det lavereliggende sedimentområde mod S. I sedimentområdet markeres isstrømningsretninger tydeligt af de markante bakkeretninger, NV-SØ længst mod vest, drejende til V-Ø længst mod øst (fra Geodatastyrelsen). thumb|Helligdomsklipperne nordvest for Gudhjem. Bornholms geologi fremviser bjergarter og aflejringer fra helt andre og ældre geologiske perioder, end tilfældet er i det øvrige Danmark. Mod nord er øen domineret af prækambrisk grundfjeld bestående af gnejser og granitter, mens den lavereliggende sydlige del af øen præges af nedre palæozoiske skifre og sandsten. En bræmme langs kysten mod sydvest er præget af overvejende løse, uhærdede aflejringer af ler og sand fra de mesozoiske perioder Jura og Kridt, samt kalksten fra Kridt. Som i resten af Danmark er undergrunden på Bornholm dækket af kvartære istidsaflejringer i form af moræner og smeltevandsaflejringer, som dog mange steder, særligt i det højtliggende grundfjeldsområde mod nord, er ganske tynde.
Som følge af de særlige geologiske forhold har man gennem tiden kunnet udvinde en række forskellige råstoffer, som ikke kendes fra det øvrige Danmark, fx granit, ildfast ler og kaolin. Det meste af denne råstofudvinding er i dag indstillet, men der brydes stadig granit på øen.
Udforskningens historie På grund af sin medvirken i Napoleonskrigene på fransk side mistede Danmark i 1814 ved Freden i Kiel Norge, og der opstod mangel på visse råstoffer, som man hidtil havde fået fra norske miner.Larsen (2006), s. 33 Regeringen nedsatte derfor en kommission, med professor H.C. Ørsted og justitsråd L. Esmarch som medlemmer og en ung Georg Forchhammer som assistent. Kommissionen undersøgte i 1818-19 Bornholms mineralforekomster. I kommissionens to beretninger 1819-20, hvori også indgik undersøgelser af Skånes mineralforekomster med henblik på sammenligning med de bornholmske, kom man med forslag til en udnyttelse af de bornholmske kulforekomster.
Forchhammer stod bag beretningernes geologiske afsnit, der inddelte den bornholmske undergrund i "Urbjerg" (grundfjeld) dækket af "Overgangsbjerg" (Tidlig Palæozoikum), som igen var dækket af "Fløtsbjerg" (overordnet betegnelse for kulførende lag fra Sen Palæozoikum og Mesozoikum; fra tysk: Flöz – kulbænk). Tidligere havde man anset de bornholmske kullag for at være jævnaldrende med de tyske brunkul og henregnet dem til "det opskyllede Land" (Tertiær), men Forchhammer anså dem korrekt som hørende til "Fløtsbjerg".
Kommissionsberetningerne omtaler også den lille sandstensforekomst ved Salene Bugt nordvest for Gudhjem, den eneste forekomst på Nordbornholm af lag svarende til de sydbornholmske sedimenter. Forekomsten er gennem tiden så at sige blevet yngre og yngre: Forchhammer anså den for at være kambrisk, og et lille århundrede senere blev den henregnet til de såkaldte Rhät-Lias-lag, det vil sige det allerældste Jura. Det var geologen Helge Gry (1905-1982), som i 1956 fik lagene dateret korrekt, til Purbeck-Wealden-etagerne på grænsen mellem Jura og Kridt, svarende til Rabække-formationen, som ellers kun ses i nærheden af Rønne.Ole Bruun Christensen (1966): Om purbeckien aflejringerne i det nedsænkede område ved Salene Bugt, Bornholm. Medd. DgF, Bd. 16, Hæfte 4, s. 465-466
Forchhammer blev i 1831 professor i mineralogi og geologi ved Københavns Universitet, og gennemførte i de følgende år flere undersøgelser af øens geologi.G. Forchhammer (1835): Danmarks geognostiske ForholdG. Forchhammer (1837): Om de bornholmske Kulformationer
Bornholmeren Magnus Jespersen (1833-1917), som 1858-1881 var adjunkt og naturfagslærer ved realskolen i Rønne, foretog omfattende undersøgelser af Bornholms geologiske forhold.M. Jespersen (1865): Liden geognostisk Veiviser paa Bornholm (2. udg. med indledning af K.A. Grönwall 1913)M. Jespersen (1867, 1869): Bornholms Geotektonik I og II. Naturhistorisk Tidsskrift, 3. R, IV Bd s. 33 og VI Bd. s. 1 Han opdagede ved Arnager forekomster af fosforitM. Jespersen (1867): Phosphorit paa Bornholm. Tidsskrift for Physik og Chemi, s. 257 og nord for Rønne de såkaldte jespersenske buelag,C. Malling (1914): De Jespersenske Buelag i Lias paa Bornholm, Medd. DGF, Bd. 4, hæfte 3, s. 265-270 nogle fossilholdige sandstensbænke fra det, som senere blev kendt som Hasle-formationen. Hans strukturgeologiske tolkninger har ikke kunnet stå for en nærmere prøve, men hans publikationer rummer et væld af omhyggelige iagttagelser, som stadig kan bruges.
I begyndelsen af 1900-tallet påbegyndte N.V. Ussing undersøgelser af det bornholmske grundfjeld, et arbejde, der efter hans død blev fortsat af Karen Callisen.Karen Callisen (1934): Das Grundgebirge von Bornholm. Danm. geol. Unders., række 2, 50, 266 pp.
Bornholms med danske øjne særprægede geologi har de seneste 100 år eller mere været et yndet studieobjekt for forskere og studerende, og op gennem 1900-tallet er der jævnligt fremkommet nye interessante forskningsresultater,Helge Gry (1969): Megaspores from the Jurassic of the island of Bornholm, Denmark. Medd. DGF, Bd. 19, Hf. 1, s. 69-89Clemmensen, L. B., Bromley, R. G. & Holm, P. M. (2011): Glauconitic deposits at Julegård on the south coast of Bornholm, Denmark dated to the Cambrian. Bulletin of the Geological Society of Denmark, Vol. 59, pp. 1–12. som også har kunnet bidrage til den geologiske forståelse i international sammenhæng.Larsen (2006), s. 81-168
Strukturgeologi thumb| left|Forkastningsblokke omkring Bornholm. thumb|Grænsen mellem højtliggende grundfjeld til højre og lavereliggende palæozoiske sedimenter til venstre ses her i Klintebakken syd for Aakirkeby. Foto mod vest. Bornholm ligger i en brudzone præget af forkastninger, nemlig den såkaldte Sorgenfrei-Tornquist Zone, som løber fra Skagerrak mod sydøst ned gennem Kattegat, hen over Sydsverige, forbi Bornholm og videre ned i Polen og Østeuropa. Denne zone adskiller højtliggende grundfjeld mod nordøst fra et system af sedimentbassiner mod sydvest, som er nedforkastet flere kilometer i forhold til grundfjeldet.Ole Valdemar Vejbæk (1997): Dybe strukturer i danske sedimentære bassiner. Geologisk Tidsskrift, hæfte 4, pp. 1-31 Selve zonen er i området omkring Bornholm en op mod 100 kilometer bred bræmme, som er gennemsat af forkastninger i retningerne Nordvest-sydøst og nord-nordøst-syd-sydvest.Finn Surlyk: Udviklingen i det danske område. S. 71-80 i Larsen (2006) Zonen er præget af nedforkastede eller opskudte forkastningsblokke. Bornholm er en sådan opskudt blok, eller horst, som mod vest grænser op til en gravsænkning, Rønne Graben, som har været genstand for (resultatløse) undersøgelser efter olie og gas.Ole Graversen (2004): Upper Triassic - Cretaceous stratigraphy and structural inversion offshore SW Bornholm, Tornquist Zone, Denmark
Selvom brudzonen blev anlagt allerede i Perm-perioden, var det først i forbindelse med den alpine bjergkædedannelse i Sen Kridt og Palæogen, at den bornholmske forkastningsblok for alvor blev hævet, hvorved de gamle lag blev bragt tæt på jordoverfladen.Peter Gravesen: Grundfjeldet - Danmarks fundament. S. 81-91 i Larsen (2006) Samtidig blev sedimentbjergarterne på det sydlige Bornholm gennemsat af et stort antal forkastninger, så de i dag fremstår som en mosaik af forkastningsblokke.Bruun-Petersen m.fl. (1977), s. 2
Grundfjeldet thumb|Løvehovederne er en klippeformation i strandkanten neden for Hammershus på det nordligste Bornholm. Ud af Bornholms areal på 588 km2Statistikbanken udgør grundfjeldet undergrunden på et 385 km2 stort område, som dækker øens nordlige to trediedele.Bornholm, artikel i Salmonsens Konversationsleksikon Grundfjeldet præger landskabet, som er højtliggende, ofte over kote 100, og når 162 meter i Rytterknægten, Danmarks tredjehøjeste punkt. Det ofte ganske kuperede landskab skråner ret stejlt ned mod kysterne mod nord og vest. Her finder man Danmarks eneste klippekyster. De er forrevne og svært tilgængelige med enkelte spredte, stenede strande, og med karakteristiske klippeformationer som Løvehovederne og Jons Kapel længst mod nordvest. Grundfjeldet er gennemsat af lange nordøst-sydvest eller nord-nordøst-syd-dsydvest-gående sprækkedale. Et eksempel er Ekkodalen, som er fremkommet ved gletsjererosion af sprækker i grundfjeldet udfyldt med grovkornet basalt, eller diabas.
Grundfjeldet består overvejende af gnejs, hvori forekommer afgrænsede områder med forskellige granitter, som beskrevet nedenfor. Der er tale om lyse bjergarter domineret af mineralerne kvarts og feldspat, med mindre andele af biotit og hornblende. Malmmineraler findes i små mængder, blandt andre magnetit, kobberkis, pyrit, blyglans og molybdænglans.
Bornholmsk Gnejs Områder med gnejs findes i de centrale og nordlige dele af øen, hvor de udgør omkring tre fjerdedele af grundfjeldsområdet. Gnejsen er lys med mørke striber rige på biotit og hornblende. Striberne er for det meste orienteret nogenlunde vest-nordvest-øst-sydøst, men mellem Svaneke og Nexø er stribningens retninger mere skiftende. Dette er tolket som tegn på, at gnejsen er foldet ad to omgange, idet det østlige, skiftende område blev foldet sidst. Grænsen mod granit-områderne er ofte gradvis, men kan også være skarp, som det fx ses ved Listed.
Rønne Granit thumb|left|I Klippeløkken granitbrud ved Knudsker udvindes der Rønne Granit. thumb|Hugget flade i Rønne granit – lighteren måler 8 centimeter. Denne mørke, homogene granit, som tidligere også kaldtes Rønne granodiorit, indeholder kun en anelse flere mørke mineraler end de øvrige bornholmske granitter. Dens mørke farve skyldes i stedet, at feldspatterne her er glasklare, så de mørke mineraler ses igennem dem. Granitten findes i to mindre områder mellem Rønne og Aakirkeby og har en alder på omkring 1.300 millioner år. I et område lige øst for Rønne er Rønne granitten delvist forvitret til kaolin, en lerart domineret af mineralet kaolinit.
Rønne Granit blev tidligere brudt i tre store brud ved Lobbæk, Stubbeløkken og Klippeløkken,Bent Rying (red, 1969): Bornholm med Ertholmene. Gyldendals Egnsbeskrivelser, Gyldendal, 199 sider men i dag er kun det sidstnævnte brud aktivt. Granitten har været brugt til brostensbelægning på Rønnes Store Torv, foruden facadebeklædningen på Christiansborg og Prins Jørgens Gård i København. I udlandet er poleret Rønne Granit brugt til kunstmuseet i Düsseldorf i Tyskland.
Paradisbakke Migmatit thumb|Paradisbakke-migmatit brugt i husfacade (udsnittet måler cirka 50 × 40 cemtimeter). De smalle lodrette striber er resultat af stenhugningen. Dette er en blandingsbjergart bestående af cirka 80 % mørkegrå gnejs, domineret af feldspat, biotit og hornblende, hvori ses et flammet mønster af lyse granitårer domineret af kvarts og feldspat. De lyse årer er dannet ad to omgange ved en delvis opsmeltning af gnejsen. Paradisbakke Migmatit forekommer i et seglformet område mellem Bølshavn på nordkysten og Gadeby mellem Aakirkeby og Nexø, hvor det adskiller gnejsområdet fra området med Svaneke Granit.
Den dekorative Paradisbakke Migmatit er blandt andet brugt til udsmykning af bygninger, fx Christiansborg slotsplads, Københavns rådhushal og Københavns Hovedbanegård.
Hammer Granit thumb|Fliser i Hammer-granit fra Bornholms Kunstmuseum, dels i en mørk jetbrændt udgave, dels stokhugget. Æsken måler 6 centimeter. Denne lyse, rødgrå granit er karakteriseret ved små mørkerøde diffuse og spredte pletter, som skyldes jernholdige mineraler. Kvarts og feldspat dominerer, foruden mindre mængder biotit og hornblende. Alderen er cirka 1.340 millioner år. Hammer Granit forekommer i et område ved Bornholms nordspids.