Γεωλογικά, ο Ελληνικός χώρος χωρίζεται σε διάφορες γεωτεκτονικές ενότητες και ζώνες οι οποίες παρουσιάζουν παρόμοια περιβάλλοντα και ηλικία σχηματισμού. Σε γενικές γραμμές, οι ζώνες της Ελλάδος χωρίζονται στις Εσωτερικές και Εξωτερικές Ελληνίδες ζώνες. Οι Εσωτερικές αποτελούνται κυρίως από μεταμορφωμένα πετρώματα (από τον Τριαδικό, Ιουρασικό, Μεσοζωικό, Τριτογενές και Παλαιοζωικό) καθώς και πυριγενή ιζήματα (ηφαιστειακά, γρανίτες κ.α.). Οι Εξωτερικές αποτελούνται κυρίως από ιζηματογενή πετρώματα, με απουσία μεταμορφωμένων πετρωμάτων. Στην περιοχή του Γεωπάρκου Μετεώρων – Πύλης συναντούμε τις παρακάτω γεωτεκτονικες ζώνες – ενότητες:
- Μεσοελληνική Αύλακα
- Σειρά Κόζιακα – Δυτικής Θεσσαλίας
- Ζώνη Πίνδου (Ωλονού-Πίνδου)
- Οφιολιθικό Κάλυμμα
- Πελαγονική Ζώνη
Στα σχήματα 1 & 2 παρουσίαζεται η απλοποιημένη γεωτεκτονική δομή του Γεωπάρκου.
Οι απαρχές του Γεωπάρκου Μετεώρων – Πύλης ξεκινάνε περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια πριν. Η περιοχή των Αντιχασίων στο βόρειο και ανατολικό μέρος του Γεωπάρκου αποτελούν μέρος της Πελαγονικής ζώνης, μιας παλιάς ζώνης από Μεσοζωικά πετρώματα και Παλαιοζωικά μεταμορφωμένα πετρώματα. Η Πελαγονική αποτελούσε τμήμα μιας μεγάλης ηπείρου, της Παγγαίας. Τα παλαιότερα πετρώματα στο Γεωπάρκο (αλλά και στο σύνολο του Ελληνικού χώρου) εντοπίζονται κοντά στο χωριό Φωτεινό, στη περιοχή των Αντιχασίων. Αναλύσεις κρυστάλλων μέσα στα μεταμορφωμένα και γρανιτικά πετρώματα της Πελαγονικής έδειξαν ότι προέρχονται από παλαιότερα πετρώματα που αποτελούσαν μέρος της Αμαζόνιας κρατονικής μάζας (> 1 δις. χρόνια).
Με τη διάσπαση της ηπείρου Παγγαίας στο Τριαδικό (~250 εκατομμύρια χρόνια) δημιουργήθηκαν μεγάλοι ωκεανοί και θάλασσες στις οποίες αποτέθηκαν πετρώματα βαθιάς κυρίως θάλασσας (ασβεστόλιθοι, κερατόλιθοι, ψαμμίτες κ.α.). Στα ιζήματα αυτά περιλαμβάνονται και κάποιες παχιές σειρές ιζημάτων θαλάσσιας κατωφέρειας (ιλυόλιθοι, κροκαλοπαγή, ψαμμίτες κ.α.), στα οποία αποδίδεται η ονομασία φλύσχης. Ο μεγαλύτερος ωκεανός ήταν γνωστός ως ο ωκεανός της Τηθύος. Η Τηθύς ήταν Ήταν κόρη του Ουρανού και της Γαίας, σύζυγος του Ωκεανού με τον οποίο γέννησε τρεις χιλιάδες ποτάμιους θεούς, μεταξύ των οποίων ήταν ο Αχελώος, ο Ασωπός και ισάριθμες θεότητες, τις Ωκεανίδες. Στον ωκεανό της Τηθύος αποτέθηκαν τα ιζήματα που αποτελούν σήμερα τις ζώνες Πίνδου, Γαβρόβου-Τριπόλεως και η σειρά του Κόζιακα. Ανατολικά αυτών, σε μια μεσο-ωκεάνια ράχη δημιουργήθηκε νέος ωκεάνιος φλοιός από την υποθαλάσσια ηφαιστειακή δραστηριότητα, παρόμοια με τη σημερινή στην υποθαλάσσια ράχη του Ατλαντικού. Τα ηφαιστειακά αυτά πετρώματα και τα συνοδά τους ιζήματα αποτελούν σήμερα το Οφιολιθικό κάλυμμα.
Με το τέλος του Μεσοζωικού, ξεκίνησε η Αλπική ορογένεση, το τελευταίο στάδιο δημιουργίας οροσειρών στον Ελληνικό χώρο. Κατά το διάστημα 40-20 εκατομμύρια χρόνια πριν, τα θαλάσσια πετρώματα ανυψώθηκαν, συμπιέστηκαν και μετακινήθηκαν προς τα δυτικά. Η τεκτονική αυτή παραμόρφωση τους και μετακίνηση, οδήγησε στην τοποθέτηση της ζώνης Πίνδου πάνω στα πετρώματα της ζώνης Γαβρόβου-Τριπόλεως, καθώς και της Σειράς Κόζιακα και των οφιολίθων πάνω στην Πίνδο. Οι εντυπωσιακές πτυχές και ρήγματα σε μικρή αλλά και μεγάλη κλίμακα που παρατηρούμε σήμερα στα πετρώματα της Πίνδου και του Κόζιακα είναι αποτέλεσμα αυτών των συμπιεστικών δυνάμεων.
Κατά την Αλπική ορογένεση, δυτικά της Πελαγονικής, δημιουργήθηκε μια νέα θάλασσα από την περιοχή της Αλβανίας μέχρι τη περιοχή του Δομοκού. Η Μεσοελληνική Αύλακα όπως είναι γνωστή (ηλικίας 30-10 εκατ. χρόνια) περιλαμβάνει μια μεγάλη σειρά ιζηματογενών πετρωμάτων, κυρίως ψαμμίτες, αργίλους, κροκαλοπαγή και μάργες. Οι βράχοι των Μετεώρων αποτελούνται από τα Κροκαλοπαγή των Μετεώρων, μια σειρά συνεκτικών κροκαλοπαγών και ενστρώσεων ψαμμίτη, τμήμα του Σχηματισμού Πενταλόφου – Μετεώρων ηλικίας Ανώτερο Ολιγόκαινο – Κάτω Μειόκαινο (10-30 εκατομμύρια χρόνια). Τα Κροκαλοπαγή των Μετεώρων αποτέθηκαν σε ένα σύστημα υποθαλάσσιων δέλτα ποταμών, στα περιθώρια της Μεσοελληνικής Αύλακας. Το υλικό τους αποτελείται από κροκάλες μεταμορφομένων πετρωμάτων της Πελαγονικής, που μεταμέρφθηκαν από τα ανατολικά μέσω ποταμών και ρεμάτων.
Τη γεωλογική δομή συμπληρώνουν νεότεροι σχηματισμοί Tεταρτογενούς ηλικίας (2,5 εκατομμύρια χρόνια) από πλευρικά κορήματα στις πλαγιές των βουνών, κώνους κορημάτων, παγετώδεις μοραίνες και άλλες αποθέσεις, ποτάμιες αναβαθμίδες και σύγχρονες προσχώσεις των ποταμών.
Κατά το πρόσφατο γεωλογικό παρελθόν (~ 5 εκατομμύρια χρόνια έως σήμερα), η ανύψωση του ορεινού όγκου της Πίνδου και της Μεσοελληνικής σταμάτησε και σήμερα λαμβάνει χώρα η σταδιακή διάβρωση μέσω της δημιουργίας βαθιών κοιλάδων και μεγάλων κατολισθήσεων. Τα ιζήματα της Μεσοελληνικής Αύλακας σταδιακά διαβρώνονται και αποκάλυψαν τα σκληρότερα Κροκαλοπαγή των Μετεώρων που δεσπόζουν σήμερα πάνω από την περιοχή της Καλαμπάκας και των Αντιχασίων. Κατά το Πλειστόκαινο (2.5 εκ. χρόνια) πολυάριθμες παγετώδεις περίοδοι οδήγησαν στο σχηματισμό παγετώνων στα ψηλά βουνά της Πίνδου. Σήμερα δεν υπάρχουν παγετώνες, αλλά σε υψόμετρα πάνω από 1600 μέτρα η μορφολογία έχει διαμορφωθεί από τη δράση των παγετώνων δημιουργούντας παγετώδεις κοιλάδες και αποθέσεις (Λάκμος, Τριγγιά, Αβγό, Μαρόσα, Κακαρδίτσα, Αθαμανικά κ.α.).
