Dal punto di vista geologico, è notevole nell'area del Parco Sirente Velino la presenza del Mesozoico, con calcari organogeni del Cretaceo di cui è costituita la maggior parte dei massicci montuosi; sono presenti, comunque, anche calcari appartenenti al Giurassico.

Le formazioni del Terziario, con calcari marnosi del Miocene Inferiore sono molto evidenti e rintracciabili, sia sul versante sud-ovest e più a nord della catena del Sirente, con detriti di falda montuosa, sia con la serie molassica del Miocene medio-superiore a ridosso degli Altopiani delle Rocche.

Tuttavia, i terreni più recenti del Quaternario rivestono senza alcun dubbio, per la loro diversità di origine e di composizione, un ruolo primario nella determinazione della struttura morfologica dell'intera zona.
Le manifestazioni di questo periodo geologico (depositi alluvionali, dei resti del glacialismo, del carsismo e dell'erosione fluviale) sono infatti quelle più chiaramente evidenti e più direttamente responsabili del paesaggio attuale.

I depositi alluvionali, derivati da antichi laghi di origine glaciale, sono diventati ora splendidi altopiani incastonati tra le catene montuose. Ricordiamo, solo per citare i più vasti, il Piano di Pezza, l'Altopiano delle Rocche e quello di Campo Felice, i Prati del Sirente.

Sul Sirente, sulla Magnola e sul Velino testimoniano l'antica presenza dei ghiacciai non solo i numerosi circhi glaciali sparsi qua e là sulle diverse cime, ma anche i resti delle relative morene che a volte si estendono, come sul versante nord-orientale del Sirente, anche per diversi chilometri.