Разные источники по-разному определяют границы Сахары, из-за чего оценки её площади колеблются. Используются изогиеты 100 и 200 мм, индексы аридности, граница плодоношения финиковых пальм и произрастания травы эспарто на севере, а также другие ботанические признаки на юге. В некоторых источниках восточная граница Сахары проведена по долине Нила (не включаются Аравийская и Нубийская пустыни). В БСЭ приводится диапазон от 6 до 8 млн км²[4]. Согласно энциклопедии Британника Сахара занимает площадь около 8,6 млн км², что составляет около 30 % площади Африки[1]. WWF приводит цифру 9,1 млн км², описывая площадь «великой Сахары»
Сахара располагается на Сахарской плите — северо-западной части древней Африканской платформы. Вдоль центральной части плиты с запада на восток протягивается Центрально-Сахарская зона поднятий, где на поверхность выходит докембрийский кристаллический фундамент: Регибатский массив на западе отделён Танезруфтским прогибом от нагорья Ахаггар, состоящего из чередующихся горстов и грабенов. Далее к востоку простираются массивы Тибести, Эль-Увайнат, Эль-Эглаб, а также западный выступ Нубийско-Аравийского щита (хребет Этбай)[6].
К северу и югу от зоны поднятий находятся Северо-Сахарская и Южно-Сахарская зоны опусканий — прогибы платформы, заполненные фанерозойскими осадочными породами. До середины мела в этих зонах накапливалась континентальная толща, которая позже (в конце мела — начале палеогена) была перекрыта морскими осадками (причём в южной части зоны опусканий морские осадки менее мощны). С эпохи олигоцена море отступило, а древние массивы (особенно Ахаггар и Тибести) испытали сильное поднятие. В Южно-Сахарской зоне опусканий также располагаются плоская синеклиза Таоденни, грабен Гао, Мали-Нигерская синклиза и синеклиза Чад.[6]
Благодаря стабильности платформы формации эры палеозоя остались горизонтальными и мало изменились. В большинстве районов Сахары данные образования были покрыты мезозойскими отложениями, с которыми связаны многие важные водоносные горизонты. В северной части пустыни данные образования также ассоциируются с вытянутыми впадинами и бассейнами: от оазисов западного Египта до шоттов Алжира. Прогиб платформы в южной части пустыни создал крупные бассейны, занятые кайнозойскими озёрами (например, мега-озером Чад и группой озёр Унианга).[1]
На территории Сахары имеются богатые месторождения нефти и газа (Сахарский нефтегазоносный бассейн, включая месторождение Хасси-Месауд), железных (Иджиль) и медных (Акжужт) руд. Месторождения золота, вольфрама, урана и редких металлов связаны с докембрийским фундаментом[3][4].