Битцевский лесопарк представляет собой наименее нарушенную часть территории города, хотя и он не может не испытывать негативного воздействия его промышленной и жилой застройки. Как и вся территория г. Москвы, расположен на Восточно-Европейской платформе, кристаллический фундамент которой залегает на глубине порядка 2 км. Южная часть города, на территории которой располагается природный парк, относится к Южной геоморфологической области, охватывающей междуречье рек Москвы и Пахры. Территория природного парка "Битцевский лес" расположена в юго-восточной, наиболее приподнятой части (130-135 м над урезом р. Москвы) Теплостанской возвышенности, значительно возвышающейся над окружающей местностью и представляет собой обособленный природный район, сформировавшийся на доледниковом останце, являющемся частью Москворецко-Окской морено-эрозионной равнины.

В рельефе рассматриваемая территория представляет собой ледниковую среднечетвертичную равнину, преимущественно моренную, фрагментами – флювиогляциальную. Абсолютные отметки поверхности – 170,0-250,0м; общий уклон поверхности – в северо-восточном направлении к долине р. Москвы. Рельеф носит холмистый характер и расчленен глубокими эрозионными долинами, балками и оврагами. На остальной части территории парка поверхность водораздела полого-наклонная с уклонами до 30, к долинам рек, ручьев и оврагов уклоны водораздельной поверхности увеличиваются до 60.

Геология. Геологический разрез верхней части отложений представлен песчано-глинистой толщей пород четвертичного возраста. Повсеместно с поверхности развиты покровные суглинки мощностью до 1,5-4,0 м.
В строении нижележащей толщи выделяется два типа:
I тип – под покровными суглинками залегают моренные суглинки днепровского или московского периода оледенений, слагающие водораздельные пространства, подстилаемые преимущественно нижнемеловыми песками, а на отдельных участках – флювиогляциальными песками днепровско-московского или окско-днепровского межледниковья. Иногда между моренами наблюдаются линзы и прослои флювиогляциальных песков.
II тип – под покровными суглинками развиты флювиогляциальные пески преимущественно московского возраста, мощностью до 8-10 м. В рельефе они соответствуют сильно расчлененной флювиогляциальной равнине. Флювиогляциальные пески подстилаются суглинками московской или днепровской морены. Ниже повсеместно распространены пески.
Для района 5 характерно присутствие и московской и днепровской морены, наличие межморенных и подморенных песков. Мощность моренных суглинков - от 2 до 10-12 м. В пойме реки Чертановки вскрываются современные аллювиальные отложения мощностью от 1-1,5 до 5,0м., представленные разнозернистыми глинистыми песками, подстилаемыми днепровской мореной.

Почва. Основной фон почвенного покрова в его естественным проявлении составляют дерново-подзолистые почвы, которые сформированы на покровных суглинках, подстилаемых моренными суглинками, либо флювиогляциальными песками. Интенсивное расчленение района обусловило большое развитие небольших западин с дерново-подзолистыми глеевыми почвами.
Выделяют следующие группы почв:
- дерново-среднеподзолистые среднесуглинистые на покровных суглинках (реже средних); занимают вершины и слоны водоразделов.
- дерново-слабоподзолистые среднесуглинистые почвы на покровных суглинках; распространены в нижних покатых частях слонов вершин и занимают полосы вдоль оврагов и долин рек;
- дерново-подзолистые глееватые суглинистые почвы на покровных тяжелых суглинках, занимающие поверхности вершин и склонов водоразделов. В нижних горизонтах этих почв отмечаются глеевые пятна, в верхних – местами распространены железистые новообразования;
- смытые и намытые почвы склонов и днищ речных долин и оврагов, представленные маломощными суглинками и супесчаными делювиально-аллювиальными отложениями. Намытые почвы характеризуются слоистостью. Избыточно-увлажненных почв на территории Битцевского леса очень мало, менее 1%.

Для данного района в условиях расчлененного рельефа теплостанской возвышенности характерна наибольшая пестрота условий миграции химических элементов. Общей закономерностью процессов загрязнения почв г. Москвы является накопление техногенно-активных элементов. Почвы Битцевского парка относятся к наименее загрязненным: СПК не превышает 16, а чаще равно 8, что не превышает нормы. Но на юго-западе территории отмечается наличие свинца в почвах.

Гидрография и гидрология. Представлена реками Чертановка, Городня и Битца, берущими начало в пределах парка и впадающих в р. Москву, а Битца впадает в реку Пахру, и их притоками – ручьями и водотоками, протекающими по дну оврагов и балок.
Для речек характерны V-образные долины шириной до 100-150 м, с крутыми, более 6-100, склонами, частично обрывистыми, с промоинами и иногда – растущими оврагами. Речка Чертановка протекает в центральной части лесопарка с запада на восток, р. Городня – в южной части.
Питание р.р. Чертановки и Городни осуществляется за счет грунтовых вод, поверхностного стока и сброса промышленных вод; питание ручьев и водотоков – за счет сброса поверхностного стока и промышленных вод. Речка Битца, именем которой назван Битцевский лесопарк (бывший Зюзинский лес), по его территории по существу не протекает, ее русло отделено от лесного массива усадьбой Знаменские-Садки и впадает в реку Пахру.
На территории Битцевского леса и его окрестностей имеется несколько искусственных водоемов, например, в кварталах 3, 4, 20, 22, в окрестностях «Узкого», в усадьбе «Ясенево», на территории усадьбы «Знаменское-Садки» и в зоне отдыха «Битца».
Имеется также два родника, широко используемые населением в питьевых целях. Решением МГИ от 21.12.87 г. №2961 они объявлены государственными памятниками природы местного значения.
Первый из них расположен в кв. 10 Битцевского лесопарка. Родник выходит в верховьях пологой лощины. С поверхности здесь распространены покровные суглинки, которые предположительно подстилаются флювиогляциальными песками, воды которых, возможно, гидравлически связаны с водоносными горизонтами в меловых отложениях. Он действует круглогодично, его дебит составляет 0,25 л/сек., минерализация воды незначительная, температура воды 5,20С. Второй родник также действует круглогодично, выходит на поверхность в юго-восточном склоне санатория «Узкое». Предположительно родник питается подземными водами из песков мелового возраста, его дебит в 1983 г. составлял 0,5 л/сек. Кроме выше перечисленных, имеется еще несколько родников, выходящих на поверхность в балках в верховьях р. Чертановки и на территории санатория Узкого.

Следует заметить, что на прилегающей территории промзон и жилой застройки будет наблюдаться повышение уровня грунтовых вод от менее 1,5 м (к северо-востоку, юго-западу от лесопарка) до 3-5 м – к востоку от лесопарка. Повышение уровня грунтовых вод обусловлено обводнением прилегающих промышленных зон и жилых массивов, в основном за счет утечки воды из водонесущих коммуникаций инфильтрации ее в грунт, засыпки оврагов. В связи с этим на территории лесопарка в его восточной части несколько уменьшится зона с глубиной залегания грунтовых вод 5-7 м и увеличится площадь зоны с глубиной залегания грунтовых вод равной 3-5 м. Повышение уровня грунтовых вод увеличит опасность развития ряда неблагоприятных инженерно-геологических процессов, таких как оплывы, суффозия, эрозия, будет способствовать дальнейшему росту овражно-балочной сети.