三清山地区的地层发育较齐全。公园及外围地区，自新元古代至第四纪地层均有出露，记录了该地区新元古代以来的地质演化历史和重要的地质事件。

新元古界的南华系为海相碎屑岩、冰碛泥砾岩夹灰岩；震旦系为硅质岩、碳酸盐岩；分布于公园内复式背斜的核部。

古生界的寒武系与奥陶系主要分布于三清山周围，志留系至上古生界在公园内被剥蚀殆尽、在公园之外的周边地区可见。其中：寒武系以碳酸盐岩为主夹泥、硅质页岩，底部为黑色页岩，产海绵骨针；奥陶系以页岩为主夹瘤状灰岩，区域地层中产丰富笔石动物化石；志留系为泥砂质碎屑岩；泥盆系为砂砾岩、石英砂岩、粉砂质页岩，往往不整合于前泥盆系之上；石炭系与二叠系以碳酸盐岩为主。

公园内未见中生代地层，该时代地层主要见于公园之外的陆相断陷盆地中。但是，公园内见有早白垩世侵入岩岩石谱系单位5个，是中生代怀玉山花岗岩基（怀玉山序列）的组成部分。

新生界仅发育第四系，包括更新统和全新统，其分布局限，主要见于沟谷凹地和平地，以冲洪积粘土、亚粘土、砂砾石层或残坡积碎石粘土层为主。