区内地层从太古界至新生界发育较全，具有多样的特点，由老至新分为5界。
一、太古界
太古界大别山群，岩性以黑云二长片麻岩、黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和钾长片麻岩为主，具有强烈的混合岩化现象，顶部夹多层大理岩。主要分布在桐城——太湖一线以西的岳西和潜山一带。
二、元古界
下元古界宿松群和上溪群，前者由各类浅色片岩、大理岩、片麻岩组成，底部为含磷岩系，产变质磷矿层，分布在宿松西北、潜山西北和太湖西南一带；后者以绿帘绢云石英片岩、
千枚状粉砂岩、板岩和砂岩等组成，分布在东至南部和东南部。
震旦系由千枚岩、板岩、变质火山岩、泥灰岩、白云岩和磷质岩等组成，区内仅在葛公镇一带有零星分布。
三、古生界
寒武系由灰质页岩、硅质页岩、钙质页岩和石灰岩组成，下部夹石煤及含磷钒铀结核层，分布在贵池、东至北部，太湖、岳西、潜山以及宿松北部一带。
奥陶系由砂质页岩、页岩、硅质页岩和泥质石灰岩、白云岩组成，分布在贵池、东至北部，潜山、岳西和宿松北部。
志留系由泥质页岩、砂质页岩、粉砂岩、砂岩和石英砂岩等碎屑岩组成，分布在贵池、东至北部，怀宁、宿松和望江北部。
泥盆系上统五通组为滨海碎屑沉积，主要由石英砂岩、砂质页岩组成，顶部夹劣煤层及赤铁矿，分布在贵池、东至、怀宁、宿松及望江北部。
石炭系下部为石灰岩夹海陆交互相砂质页岩、薄层煤和赤铁矿，上部为块状石灰岩，顶部有球状构造的白云岩和石灰岩。贵池、东至、怀宁、宿松、望江一带有分布。二叠系下部为含煤页岩、沥青灰岩、石遂石灰岩、硅质页岩和石遂石层互层，并夹有锰矿和含磷结核页岩；上部为粉砂岩、长石石英砂岩、砂质页岩夹煤层组成。贵池、东至、怀宁、宿松和望江北部有分布。
四、中生界
三叠系由中、下三叠统的石灰岩、泥质灰岩和钙质页岩组成，分布于贵池、东至、怀宁、宿松和望江北部。
侏罗系由区内的下、中侏罗统砂岩、长石石英砂岩、粉砂岩和页岩组成；上统由各种熔岩、块集岩、凝灰岩和火山角砾岩组成，其间夹有页岩及泥灰岩透镜体。怀宁凉亭、太湖西南和桐城东南一带均有分布。
白垩系为暗紫红色陆相碎屑岩，下部夹火山碎屑岩，上部夹石膏泥岩层。太湖与潜山县的东南，怀宁县西北有分布。
五、新生界
第三系主要由紫红色砾岩、砂砾岩和砂岩组成，分布在潜山至桐城一带。
第四系由砾石层、网纹红土和粘土组成，分布于沿江和河谷Ⅱ、Ⅲ级阶地。