Ve starších prvohorách bylo území geoparku zaplaveno mořem, které zřejmě dosahovalo značné hloubky. Svědčí pro to horniny krkonošsko-jizerského krystalinika na Železnobrodsku. Původně hlubokomořské jílovce a prachovce, které později prošly metamorfózou, jsou dnes zachovány v podobě fylitů („pokrývačských břidlic“). Díky tomu, že jejich břidličnatost je shodná s původní vrstevnatostí, je možné v nich nalézt značné množství zkamenělin, které dokládají ordovické stáří těchto hornin. Bohaté společenstvo fosilních stop bylo nejnovějšími výzkumy doplněno i o pravé fosílie, které jsou v takovéto podobě světovým unikátem, neboť v metamorfovaných horninách se zkameněliny zachovávají jen velice výjimečně.

V mladších prvohorách, období karbonu a permu, se ve východní části geoparku vytvořila řada vnitrozemských sedimentárních pánví, vyplněných rozsáhlými jezery a zarostlých bujnými močálovými pralesy. Četnými vodními toky byl do pánví přinášen úlomkovitý materiál, který dnes tvoří až 3500 m mocné sledy slepenců, pískovců, prachovců a jílovců, místy s příměsí tufů. V mnoha polohách těchto hornin se zachovaly zkameněliny, zejména otisky různých rostlin, hmyzu, ryb a jiných vodních živočichů. Okolí Nové Paky je navíc proslulé bohatým výskytem petrifikovaných stonků rostlin, tzv. „zkřemenělých dřev“, které představují unikátní, trojrozměrně zachované pozůstatky tehdejšího pralesa.