Per quanto nell’Appennino Marchigiano le successioni calcaree affiorino estesamente, il paesaggio non presenta le morfologie superficiali tipiche delle regioni carsiche. I terreni calcarei mesozoici, affioranti al nucleo delle principali strutture anticlinali, risultano circondati in affioramento da ampie fasce collinari, costituite da terreni argillosi ed arenacei cenozoici, dove è possibile lo sviluppo di una ben articolata rete idrica superficiale. I principali corsi d'acqua attraversano le dorsali calcaree, originando spesso caratteristiche gole, e ricevono in questi tratti cospicui apporti di acque sorgive lungo sorgenti lineari (Boni et al., 1986). La Gola di Frasassi tra queste incisioni è una delle più profonde e caratteristiche; è stata tagliata dal Fiume Sentino entro la dorsale montuosa culminante con il Monte Rimosse (m 957) e le sue pareti strapiombanti sono alte fino a 500m.

Gli scoscesi versanti della Gola sono scavati nel Calcare Massiccio che, pur affiorando limitatamente, costituisce l'ossatura di tutto il rilievo. Il Calcare Massiccio è una formazione calcarea compatta, originata nel Giurassico in ambiente di piattaforma carbonatica; si tratta di facies calcaree assai pure, molto permeabili e carsificabili. Esso affiora per uno spessore di circa 500 m senza che sia raggiunto il letto; è sormontato da formazioni calcaree e calcareo marnose, di ambiente pelagico, con spessore complessivo di poche centinaia di metri. All’interno di questa successione è presente un orizzonte marnoso poco permeabile (Marne a Fucoidi) dallo spessore di circa 50 m, che riveste un importante ruolo nella circolazione idrica sotterranea. Alla base della successione carbonatica, in località vicine, è stata da tempo appurata l'esistenza di un importante orizzonte di rocce evaporitiche note come Anidridi di Burano, di età triassica.

La struttura montuosa di Frasassi è costituita da un'anticlinale di forma asimmetrica con una netta vergenza adriatica; il fianco nord orientale è interessato da un piano di sovrascorrimento che porta a contatto il Calcare Massiccio con le formazioni pelagiche, che si presentano con una giacitura subverticale. Sistemi di fratture sono sviluppati in tutte le formazioni calcaree (Menichetti, 1990), e raggiungono la maggiore intensità nella parte orientale della struttura, dove si aprono le principali cavità carsiche.