Ozemlje Kozjanskega parka je zgrajeno iz karbonskih, permskih, triasnih, jurskih, krednih, terciarnih in kvartarnih kamnin. Pomemben pečat dajejo obravnavanemu ozemlju skladovnice triasnih in terciarnih kamnin med katerimi se tu in tam pojavljajo jurski in kredni skladi ter karbonsko-permske plasti. Zemljina zgodovina je pomembna za kamnito vsebino Kozjanskega parka, ki so jo skozi čas preoblikovale tektonske sile, nato pa so ji današnjo podobo dali še razni zunanji dejavniki.

Stari zemeljski vek - paleozoik
Najstarejše kamnine so iz pred približno 300 milijonov let, ko je bilo na tem prostoru morje. To so plasti skrilavega glinavca, kremenovega peščenjaka in konglomerata, v katerih pa niso bili najdeni fosilni ostanki.

Srednji zemeljski vek - mezozoik
Zaradi velikega števila različnih kamnin predvsem triasne starosti, dajejo le te pokrajini med Savo, Savinjo in Sotlo svojevrsten pečat. Gradijo Vetrnik, Orlico in Rudnico, torej reliefno močno izstopajoče dele Kozjanskega parka. V spodnjem triasu so nastali rjav peščenjak, meljevec z vložki oolitnega apnenca, dolomit in lapor. V teh plasteh je bila najdena bogata morska favna (polži,foraminifere…), na osnovi katere je bila ugotovljena starost kamnin ter takratne življenjske razmere. V mlajšem triasu sta poleg dolomitov, dolomitnih laporjev in apnencev nastajala tudi vulkanska kamnina diabaz ter vulkanski pepel, kar kaže na živahno vulkansko delovanje. V triasnih plasteh so nastali slapovi in številni potoki. Reka Bistrica, ki je izrazito sredogorska reka in ima večji del svoje struge vrezane v triasne kamnine. Ko prečno prereže severno krilo orliške antiklinale, postane prostor med Trebčami in Zagajem zelo ozek. Soteska spada med eno najbolj ohranjenih slikovitih rečnih sotesk v vzhodni Slovenji. Jursko – kredne plasti so iz apnencev, pisanih lapornatih apnencev, skrilavih glinavcev in laporovcev z zelo bogato morsko mikro floro in favno.

Novi zemeljski vek - kenozoik
Med Vetrnik, Orlico in Rudnico se zajedajo terciarni sedimenti nekdanjega Panonskega morja. Z njimi je prekrit dobršen del Kozjanskega parka z zanimivimi geološkimi profili in mejami, s kraškimi jamami, brezni, kraškimi izviri, vrtačami, lehnjakovimi slapovi ter z bogatimi nahajališči morskih organizmov. Plasti so razvite kot laporji, peščenjaki, litotamnijski apnenci in lapornati apnenci. V terciarnih plasteh so bogate najdbe morskih školjk in ježkov, mahovnjakov in še mnogih mikroorganizmov. V plasteh blizu Olimjaje bila najdena zelo lepo ohranjena riba verjetno iz rodu Lates. V petnajst milijonov let starih srednjemiocenskih plasteh na južnih obronkih Orlice je bil najden zob izumrlega morskga psa, širok 10 in visok 10,5 cm. Nekoliko manj znane, vendar izredno zanimive, so okamnele rdeče alge, v obliki skorjastih prevlek, ki se razrastejo v jajčast gomolj – rodoid, če pa se le-ti sprimejo, imenujemo kamnino rodolit. Na območju Dekmance, Križan Vrha in Podsrede so v terciarnih plasteh nastale manjše kraške jame in brezna. Kvartarni sedimenti so zastopani v obliki deluvija, pobočnega grušča in aluvija. Deluvialni sedimenti predstavljajo slabo zaobljene in nezaobljene odlomke, pobočni grušč je sestavljen iz svetlo sivega dolomita, aluvialni nanosi pa sestoje iz drobnozrnatih prodnikov, peska, melja in gline.

Delovanje tektonike
Ozemlje Kozjanskega parka je močno nagubano in s številnimi večjimi in manjšimi prelomi razkosano v posamezne manjše grude. Od severa proti jugu imamo več antiklinalnih in sinklinalnih struktur. Osi gub imajo v glavnem smer vzhod – zahod. Od severa proti jugu si sledijo rudniška antiklinala, laška sinklinala, litijska antiklinala, senovška sinklinala, orliška antiklinala. V triasu in terciarju se je tu odvijalo tudi vulkansko delovanje. Na živahna tektonska dogajanja nas spominjajo številni termalni izviri, hidrotermalno orudenje in še ne tako oddaljen potres iz leta 1974.

Pojavi mineralnih surovin
Na živahno geološko dogajanje opozarjajo tudi mineralni pojavi. Omeniti je potrebno izdanek boksita na Trebčah nad sotesko Bistrice, nahajališče rjavega premoga terciarne starosti vzhodno od Kozjega, aragonitne ježke, ki so nastali v opuščenih rudnikih železa na Rudnici, piritne kristale, najdene v Olimju in številne termalne izvire.