Środek Kotliny zajmuje pasmo niewysokich wzgórz zbudowanych przeważnie ze zlepieńców, o wysokości ok. 550–700 m n.p.m., rozczłonkowanych przez dolinę Bobru i jego dopływów. Są to Grzbiet Szczepanowski od granicy polsko-czeskiej do Bukówki, pasmo Zadziernej (724 m.) od Bukówki do Błażkowej oraz Góry Lisie położone między Kamienną Górą a Marciszowem. Na południowy zachód, między Paczynem a Szarocinem zamykają kotlinę zalesione, kopulaste wzgórza Chełmczyk 766 m. i Świerczyna 720 mJanusz Czerwiński, Ryszard Chanas: Dolny Śląsk - przewodnik. Warszawa: Sport i Turystyka, 1977 s. 257.
Budowa geologiczna Prawie cała Kotlina Kamiennogórska leży w obrębie niecki śródsudeckiej, a jedynie zachodnie partie obejmują fragmenty bloku karkonosko-izerskiego (wschodniej osłony granitu karkonoskiego).
Główna część Kotliny zbudowana jest ze skał osadowych karbonu, permu, kredy i czwartorzędu.