関東平野から群馬、長野、和歌山、徳島県などを経て九州まで続く全長１千キロ以上の大断層。県内の延長は約１４０キロで、茅野市—静岡県境の青崩峠の約９０キロで地表に露出している。このうち大鹿村内の構造線は２５キロほどになる。中央構造線では、白亜紀の約１億年前にできた領家変成帯（日本海側）と、三波川変成帯（太平洋側）が接し、両側は全く別な地質。領家は内陸側で、プレート（岩板）の沈み込みに伴う熱いマグマの上昇による高温低圧の変成作用を受けた岩石。これに対し三波川は海溝側で、冷たい海洋プレートの沈み込みによる低温高圧の変成作用を受けた岩石からなる。白亜紀に二つの変成帯の間で横ずれの断層運動が発生。これによる移動距離は最大２千キロという推定もある。

山梨、静岡県内を含む全長２５キロのうち県内工区は静岡県境から小渋川橋梁（きょうりょう）まで大鹿村内の８・４キロ（伊那山地トンネルを含む村内ルートは１３キロ）。山肌からトンネルまで最深１４００メートルにおよぶ工事の見通しが立ったことから、ＪＲ東海は２０１１年に諏訪・伊那回りのルートから南アルプス貫通ルートに変更した。

１９６１（昭和３６）年６月下旬〜７月上旬に伊那谷を襲った集中豪雨による大水害。死者・行方不明者は１３６人に及んだ。１日の最多降水量は３２５ミリ（飯田測候所観測）。天竜川の決壊、はんらんをはじめ、伊那谷に特有な扇状地や段丘上の支流では、活断層群の影響もあり鉄砲水や土石流の被害が相次いだ。大鹿村では大西山の大崩壊の跡が残る。