El macizo La Giganta, y sobre todo el área del Parque, corresponde principalmente a rocas del periodo Cretácico Inferior (las más antiguas del Parque) de la conocida Formación Las Chilcas, con rocas sedimentarias marinas calcáreas tales como caliza, mudstone con presencia de fósiles (oncolitos y estromatolitos) y rocas volcánicas como andesitas y tobas líticas andesiticas. La Formación Las Chilcas representa un ambiente marino somero con influencias mareales durante el Cretácico temprano.
 

La parte alta del macizo y el Parque, está conformada por rocas intrusivas del periodo Cretácico inferior a superior, la conocida Super Unidad Illapel, dentro del área corresponde al llamado "Batolito de panquehue" que corta o intruye a las rocas de la Formación las Chilcas,  con rocas como granodioritas y zonas de alteración hidrotermal y sus respectivos minerales de alteración que representan pulsos magmáticos de ese periodo que generaron la mineralización.

Cubriendo al macizo rocoso, se encuentran depósitos sedimentarios recientes del Cuaternario de tipo aluviales y coluviales, en quebradas, faldas de cerro.

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Respecto a las estructuras y tectónica, el área del Parque correspondería al Dominio Estructural Central definido por Rivano et al en el informe de Quillota-Portillo (1996). Destacan 3 estructuras mayores: La presencia de una Falla inversa llamada Falla La Giganta, que define el contacto entre la Formación Las Chilcas y el Batolito de Panquehue en la parte alta del Parque, un pliegue recumbente subhorizontal de capas de rocas calcáreas de la Foomación Las Chilcas, deformación asociada a las fallas inversas, y el denominado" Pilar o Horst de panquehue" limitado por la Falla La Giganta en el área del Parque, y la Falla el Carbón, hacia el oeste, fuera del áreas del Parque.

Estas unidades geológicas son correlacionados con la Carta geológica de las hojas Quillota y Portillo (Rivano, 1996).