头嵙山层上部地质成份是以砾岩为主，大多为厚层构造，并夹有砂岩其间呈互层，偶有
粉砂岩、页岩；下部则是以砂岩为主的成份，有砂岩会与粉砂岩、页岩互层，偶有泥质砂岩。由于表层裸露的地层是头嵙山层的上部构造，露出的砾石是其最大特征，常在
山路旁、河岸边可见，例如
国道一号行经大安溪可见
火炎山，以及国道六号行经
乌溪可见
九九峰，两者皆有大量崩落的砾石堆积而成的扇状堆积地。
1933年由
地理学家林朝棨发现，并于《关于台湾产哺乳类化石的产出状态》以
头嵙山命名“头嵙山层群”。
1935年，鸟居敬造在
东势郡探查地质，结果发表于《东势地质图幅及说明书》称之“头嵙山蛮岩”；同年，林朝棨在《台中丰原地方第三纪及第四纪地层之研究》称之“头嵙山统”。
1948年，地理学家张丽旭于《台湾地层之检讨》首次出现“头嵙山层”此名，并依上部与下部构造的差异，分别命名火炎山相、香山相，并于
1955年发表《台湾之地层》为现今地质学术界所采用之文献。
1957年，林朝棨于《台湾地形》仍采用头嵙山统称之，上部、下部地层则是分别改称火炎山层、通霄层。
1975年，地理学家何春荪在《台湾地质概论：台湾地质图说明书》对各地层并无加以命名，则是分成上、中、下三部来区分各地层。