Территория области лежит в центре одной из крупнейших геологических структур планеты - Восточно-Европейской или Русской платформы. Почти вся территория региона расположена в пределах южного крыла Подмосковной синеклизы. Эта впадина выполнена осадочными породами различного возраста и состава: от девонских до четвертичных отложений включительно, лежащих на докембрийском кристаллическом фундаменте, состоящем из магматических и метаморфических горных пород: гранитов, гнейсов, кварца, биотита, пироксена и других. Докембрийский гранитно-гнейсовый фундамент нигде на территории области не выходит на дневную поверхность.
Верхнедевонские отложения морского и пресноводного происхождения (известняки, гипс, каменная соль, доломиты и другие) выходят на поверхность по крутым склонам речных долин и оврагов в центральной и южной частях области. Так, по склонам долин рек Дона, Красивой Мечи, Черни, Зуши, Непрядвы, Упы и Оки на поверхность выходят отложения задонских, елецких и данково-лебедянских слоев девона. На реке Дон они сложены из прослоев глин, серых мергелей и известняков. К западу от реки Дон к глинам примешиваются песчаники, которые еще западнее полностью замещаются песками. Известняки и доломиты данково-лебедянских слоев хорошо обнажаются на западе возвышенности, в бассейне реки Оки. На востоке, в бассейне реки Дон, они выходят на поверхность в виде разрозненных единичных обнажений.
Севернее широты города Плавска девонские обнажения постепенно погружаются под верхнепалеозойские отложения и теряют ландшафтное значение, уступая его известнякам карбона. Известняковые, песчаные и глинистые толщи карбоновых пород выходят на поверхность по склонам долин рек Оки, Плавы, Соловы, Осетра, Прони, Крушмы, Скниги, Беспуты и некоторых других рек и ручьев. Близость к поверхности пород, насыщенных карбонатами, растворяющихся при контакте с водой, способствует активизации карстовых процессов, а на глинистых и песчаных склонах наблюдаются оползни и осыпи.
Отложения мезозойского периода распространены в регионе довольно ограниченно. Главным образом они представлены юрскими и меловыми морскими отложениями. Отложения юры, представленные плотными черными глинами и песками, изредка наблюдаются в северной половине области. Отложения мелового периода представлены в основном осадочными породами: песками, кварцеглауконитовыми осадками, фосфоритами и незначительными отложениями мела. В северной части региона они встречаются в виде отдельных островков, а в южной - крупными массивами в районе города Ефремова, севернее рабочего поселка Черни, южнее города Богородицка, а также в Воловском районе.
Сверху юрские и меловые породы перекрыты глинами, песками, покровными и лессовидными суглинками четвертичного периода, являющимися в основном продуктами ледниковой деятельности. Наибольшую мощность (до 5 м) четвертичные отложения имеют в поймах рек Упы, Осетра, Плавы и Вашаны. В целом их мощность увеличивается по мере движения с востока на запад.
Территория области дважды подвергалась оледенениям. Самое древнее, Окское оледенение распространилось несколько южнее линии Лихвин-Алексин. Оно оставило многометровые толщи обломочного материала различного размера: от валунов до песков и глин. Следы Окского оледенения в значительной степени стерты последующим Днепровским оледенением. Оно распространилось южнее Окского и охватило территорию почти всего региона, достигнув широты города Ефремова.
Результатом деятельности ледников явились моренные отложения, мощность которых снижается по направлению с северо-запада на юго-восток. Граница моренных отложений проходит по линии реки Розка - села Жемчужниково - села Сумароково - села Дедилово - города Венев - реки Осетр. Южнее валунные отложения сменяются карбонатными лессовидными суглинками, которые являются основной почвообразующей породой для оподзоленных и выщелоченных черноземов. Местами моренные отложения перекрыты флювиогляциальными песками. На водоразделах широкое развитие получили покровно-делювиальные суглинки, а в долинах рек - древнеаллювиальные пески и глины.
Рельеф области в целом определяется ее расположением на северо-восточном краю Среднерусской возвышенности. Большая часть региона лежит на высоте от 200 до 250 м над уровнем моря. Она имеет полого-волнистую поверхность с разной степенью расчленения и небольшим уклоном с юга на север и северо-восток.
Формирование современного рельефа области проходило под воздействием различных факторов, среди которых можно выделить тектоническую деятельность, оледенения, литологический состав пород, эрозионные процессы и хозяйственную деятельность.
Большое воздействие на формирование рельефа региона оказали оледенения. Причем северная часть области подвергалась воздействию как самого ледника, так и его вод, а южная, за исключением крайней юго-восточной ее части, - лишь действию талых ледниковых вод. Ледниковые моренные отложения, хотя и были в дальнейшем очень сильно размыты, все же оказали заметное влияние на формирование современного рельефа нашей территории.
Литологический состав слагающих территорию области горных пород в основном проявляется в формировании карстовых форм рельефа. Карст в области встречается в разных формах: воронки, карстовые озера, "слепые балки", исчезающие речки, береговые просадки, карстовые западины, ниши и даже небольшие пещеры. Наибольшее распространение в регионе получили карстовые воронки. Максимальное развитие карстовых форм рельефа в области наблюдается по линии городов Ефремов - Венев - Тула - Суворов - Белев, причем наиболее крупные карстовые воронки сосредоточены в полосе Тульских засек.
Главным фактором формирования рельефа всей центральной, восточной и южной частей области является эрозионная деятельность поверхностных вод. Основными формами эрозионного рельефа здесь являются речные долины, овраги и балки. Самой молодой эрозионной формой рельефа в области являются овраги. Большинство их находится в южной, внеморенной части области: в Богородицком, Воловском, Ефремовском, Каменском, Куркинском, Плавском, Тепло-Огаревском, Чернском и Щекинском районах области. По данным длина некоторых оврагов в южной части области достигает 4,2 км.
Особенно густое овражное расчленение рельефа характерно для долин рек Большая Мизгея и Малая Мизгея. Глубина оврагов здесь достигает 20 м.
Особое место среди эрозионных форм рельефа занимают лесные овраги. Они встречаются на правобережье реки Оки близ впадения в нее реки Крушмы и прорезают 10 - 15-метровую толщу валунных суглинков и плотного мраморовидного известняка.