神农架地区地层发育完整，除上志留统至石炭系、侏罗系至第三系外，从元古界至第四系均有分布。中元古界（距今约16~l0亿年）的神农架群，厚度四千余米，由轻微区域变质的白云岩、砂岩、板岩及玄武质火山岩组成，它与晚元古界早期青白口系的凉风垭组一起构成神农架地区古老的褶皱基底。
南华系、震旦系及其以后的地层呈盖层状，广泛分布在神农架群的周边或向斜的核部，其地层层序与长江三峡地区相同。南华系为一套浅海盆地相深色碎屑岩沉积，含有锅底灰岩，产有锰矿；其中，南沱组的冰碛砾岩，记载了8亿年前的冰雪事件；震旦系陡山沱组中富含磷矿，灯影组巨厚的白云岩往往形成绝壁，并发育溶洞。寒武、奥陶系以发育碳酸岩为主，富含三叶虫、腕足类等化石；志留系由易于风化的砂岩、页岩组成，往往形成宽缓的地貌。二叠与三叠系主要发育石灰岩，易于形成岩溶地貌。第四系多见于沟谷之中和河流阶地之上，主要成因于冰川和流水作用。
