Die sehr lange und vielfältige geologische Vergangenheit des Geoparks wird durch das Vorhandensein verschiedener Gesteinsarten aus verschiedenen geologischen Perioden belegt.
Die ältesten Gesteine, die wir im Geopark antreffen können, stammen aus dem Ende der präkambrischen Zeit vor etwa 540 Millionen Jahren. Die Granite und Diorite, die hier während der sog. kadomischen Orogenese aus dem Erdinneren eindrangen, wurden jedoch später während der variszischen Orogenese am Ende des Paläozoikums in Muskovit-Metagranite und Metadiorite umgewandelt. In dieser Form finden wir sie heute im Geopark vor, besonders im Flussbett des Jizera in der Nähe von Semily.
Gesteine, die rund um das Dorf Jílové bei Držkov an die Oberfläche ragen, stammen aus dem älteren Paläozoikum, wahrscheinlich aus dem Kambrium bis Ordovizium. Diese schwach umgewandelten Chlorit-Serizit-Phyllite (sog. Železný Brod-Schiefer) sind einzigartig in Bezug auf das Vorhandensein von Ichnofossilien (fossile Spuren) und echten Fossilien. In diesen Gesteinen sind oft Dolomit-Linsen eingefaltet, von denen sich die größte in Bozkov befindet. Ihr Alter ist wahrscheinlich kambrisch und durch Auflösung von Karbonaten hat sich dort ein relativ großes Höhlensystem ausgebildet. Aufgrund der Wasserkorrosion und Auftreten von unterschiedlich widerstandsfähiger Gesteinsbereiche enthalten die Höhlen eine reichhaltige Karstdekoration.
Im Südosten des Geoparks ist das Grundgebirge ​​von den jüngeren Einheiten durch eine bedeutende geologische Struktur, die sogenannte Lausitzer Verwerfung, getrennt, entlang derer es häufig tektonische Bewegungen gab und gibt. Das Vorland des Riesengebirges in dem östlichen und nordöstlichen Teil des Geoparks wird von Sedimenten bedeckt. Es handelt sich hauptsächlich um im See abgelagerte, feinkörnige Ton- und Schluffsteine ​​oder Flusssandsteine ​​und -konglomerate. Stellenweise treten dünne Schichten von Kohle oder bituminösen Tonschiefer auf, gelegentlich mit einer schwachen Kupfervererzung. Die Ablagerung erfolgte hier vom oberen Karbon bis zur unteren Trias, und insbesondere die Tonschierer enthalten reichliche Fossilien aus dieser Zeit. Die Flora wird durch verschiedene Arten von Farnen, Schachtelhalmen und Nadelbäumen repräsentiert. Von der Fauna sind vor allem Muscheln, Fische, Haie, Amphibien und Insekten zu finden. Oft vertreten sind auch zahlreiche Ichnofossilien und Koprolithe (versteinerte Exkremente). Die Arkosen um Nová Paka sind durch Funde von verkieselten Stämmen von Schachtelhalmen, Farnen, Pflanzen mit Farnsamen und Nadelbäumen bekannt. Gleichzeitig mit der Ablagerung von Sedimenten fanden mehrere Phasen vulkanischer Aktivität mit Ausbrüchen von Basaltlava und Schlacke statt. Die heißen kieselhaltigen Lösungen fossilisierten Pflanzenteile, bildeten Karneolknollen in Sedimenten und füllten Melaphyr-Hohlräume in Form von Chalcedon, Achat und anderen Quarzvarietäten.
Vor etwa 100 Millionen Jahren, d.h. während der Kreidezeit, wurden der zentrale und der südliche Teil des Geoparks vom Meer überflutet. Zunächst (in einer Zeit, die als Cenoman bezeichnet wird) lagerte sich eine mehrere zehner Meter dicke Schicht von Quarzsandsteinen ab. In den nächsten 15 Millionen Jahren (in Turon und Coniac) setzte sich die Sedimentation fort mit einem Ergebnis von bis zu hundert Meter dicken, kalkhaltigen Sandsteinen und sandigen Kalksteinen, gefolgt von Kieselsandsteinen ähnlicher Mächtigkeit. Mit dem Rückzug des Meeres am Ende der Kreidezeit endete auch die Ablagerung. Durch spätere Erosion bildeten sich in diesen Sedimenten große Felsstädte.
Im Neogen, d.h. vor etwa 17 Millionen Jahren, kam es entlang der Lausitzer Verwerfung zur neuen vulkanischen Aktivität, die in mehreren Phasen bis zum Ende des Tertiärs vor 4,5 Millionen Jahren andauerte. Die Überreste dieser Vulkane sind bekannte und auffällige Reliefformen wie Trosky, Zebín, Kozákov, Čertí kopeček oder Kumburk.