Геологическая структура Дивногорья представлена следующим образом: на глубине 200 метров залегают докембрийские граниты, кварциты и габбро, далее они перекрыты отложениями глин, мергелей и песков палеозойского возраста (девонский и каменноугольный период) осаждавшихся из морей. Следующая толща — пески, накопленные в меловой период. На поверхность выходят карбонатные мело-мергельные породы верхнемелового времени, отлагавшиеся из моря, пришедшего на эту территорию около 137 млн лет назад. В пределах музея-заповедника мощность их толщи достигает 100 метров. Они обнажаются по склонам речных долин, балок, оврагов. При движении вверх в толще мела постепенно увеличивается содержание некарбонатных примесей, и, прежде всего, глинистых частиц, из-за чего химический состав мела существенно изменяется.

В начале кайнозойской эры сюда заходило мелководное море, на дне которого отлагались глины и пески. Глубина моря резко изменялась, порой оно полностью исчезало. Примерно 26 млн лет назад палеогеновое море окончательно покинуло эту территорию, оставив отложения моренных и покровных суглинков. Они распространены повсеместно, отсутствуя только на обрывах и крутых склонах речных долин, балок и оврагов.