ดอยหลวงเชียงดาว เป็นเทือกเขาที่มีความยาวติดต่อกันเป็นส่วนหนึ่งของเทือกเขาเชียงดาว ซึ่งเป็นส่วนต่อเนื่องกับเทือกเขาถนนธงชัย เกิดจากการกัดเซาะของน้ำทะเลในยุคเพอร์เมียน – ล้านปีก่อน ซึ่งลักษณะของหินปูนไม่สามารถรองรับน้ำได้ แต่จะถูกกัดเซาะ จึงกลายมาเป็นเทือกเขาและดอยต่าง ๆ ในบริเวณนี้ ซึ่งเดิมเคยเป็นทะเลมาก่อน