Desde el punto de vista geológico el valle posee una característica que se hace claramente notable en su configuración exterior. Las cadenas de montañas que limitan el valle en sus lados norte y sud, pertenecen a formaciones diferentes. Las elevaciones que semejan fortalezas situadas al norte de Tiahuanaco, están formadas por arenisca roja, cuya antigüedad no ha sido determinada aún definitivamente, pero que al parecer puede atribuirse a la formación devoniana. Además, en esta cadena el material no aparece descubierto sino tapado por arena y capas de guijarros que originan una redondez jibosa de las crestas y hacen que la pendiente de la montaña se pierda paulatinamente en el fondo del valle. La altura de esta pendiente fortificada alcanza término medio unos 300 metros. El límite del valle por el lado sud muestra una formación esencialmente distinta. Representa una cadena montañosa muy dividida, cuyas cumbres dentadas se elevan al doble de altura por encima del nivel del valle (600 a 800 metros). Antiguas rocas cristalinas entre las cuales parecen tener mayor difusión los pórfidos de cuarzo, constituyen el basamento de esta montaña.
La anchura del fondo del valle entre las dos cadenas montañosas que conservan la dirección este-oeste podría alcanzar aproximadamente a quince kilómetros. El suelo se compone principalmente de estratos de barro, arena y cantos rodados, cuyas condiciones de estratificación indican como seguro origen los aluviones y los depósitos bajo el agua y sugieren la posibilidad que en tiempos remotos un brazo del lago Titicaca, en el que se formaron estos depósitos, se internara profundamente en el valle.
Las colinas aplanadas en forma de meseta confirman que este antiguo fondo lacustre aluvional no era perfectamente llano, sino que aquí y allá presentaba elevaciones después que las aguas se retiraron, entre ellas las más llamativas como el-Cerro Artificial-, la montaña tan famosa cerca de Acapana y el collado sobre el cual fue erigida la actual aldea de Tiahuanaco.
Sobre este terreno cedido voluntariamente por el lago Titicaca se levantaron las construcciones de Mahuanaco y no lejos de ellas serpentea en ondulados meandros un arroyo, llamado río Tiahuanaco. En algunos lugares las aguas fueron excavando un profundo lecho de varios metros en el suelo desmoronadizo, poco resistente. Numerosos surcos de agua que sólo alimentan al arroyo desde la montaña cuando llueve torrencialmente, desembocan en sus dos orillas, pero especialmente en el lado sud del lecho.
Diseminadas por el valle hay un gran número de granjas indias, rodeadas de campos y prados, delimitadas en forma irregular. Asimismo, por las laderas de la pendiente del valle hasta los pies del observador, se extienden algunos campos aislados. En aquellas alturas, donde son frecuentes las heladas nocturnas, los campos se trabajan de preferencia sobre las pendientes verticales, pues se sabe por experiencia que allí las heladas son menos perjudiciales para los sembrados que en el llano. El clima de Tiahuanaco no permite una variedad muy grande en la producción de vegetales. Las patatas amargas que antes de su preparación son expuestas a la helada para hacerlas comestibles, luego llamadas chuño, la quinoa (mijo), las habas, unas pocas patatas buenas y algo de avena son los únicos productos que se consigue obtener del suelo, del alto valle. La avena se suele sembrar en agosto y se la siega en junio, al cabo de diez meses, pero aún entonces no está madura y sólo puede emplearse como forraje.
