Utwory ukształtowane w czasie trzeciorzędu na terenie Śródmieścia nie występują, zaś znaczny obszar dzielnicy pokrywają utwory czwartorzędowe. W znacznej części są to piaski i żwiry glacjalne i fluwioglacjalne pochodzące z plejstocenu, zaś dolinę Rawy oraz rowu biegnącego w rejonie granicy Śródmieścia i Załęża budują holoceńskie osady rzeczne.
Według jednostek morfologicznych Śródmieście dzieli się na dwie części. Położony niżej, północny fragment Śródmieścia jest częścią Obniżenia Rawy, które ciągnie się wzdłuż doliny Rawy. Jest ono głęboko wcięte w utwory karbońskie i stanowi dno doliny wraz z terasą plejstoceńską. Tam też jest najniżej położone miejsce – wysokość zwierciadła Rawy na wysokości ulicy J. Dudy-Gracza wynosi tam około 260 m n.p.m. Obszar dzielnicy wznosi się w kierunku południowym. Tę też część dzielnicy obejmują wschodnie krańce Wzgórz Kochłowickich, charakteryzujące się spłaszczonymi wzniesieniami. Najwyżej położony punkt Śródmieścia znajduje się w rejonie Biurowca Wojewódzkiego, gdzie wysokość nad poziomem morza dochodzi do ponad 300 m. Różnica wysokości między skrajnymi punktami wynosi około 40 m. Na rzeźbę terenu Śródmieścia znaczny wpływ miała działalność człowieka związana z urbanizacją oraz działalnością górniczą.