Území CHKO Bílé Karpaty náleží do Karpatské soustavy což je regionálně-geologický celek mnohem mladší než Český masiv (konsolidovaný variským vrásněním před 380 - 300 miliony let) jež tvoří většinu území ČR. Karpatská soustava byla zformována procesy alpinského vrásněni v rozmezí od svrchní křídy do terciéru v intervalu posledních 100 milionů let. Určujícím faktorem zde byly pohyby litosférických desek, desek zemské kůry, které se pohybovaly spolu se svrchní částí zemského pláště. Hlavní roli tu sehrála kolize jižnější africké desky se severnější evropskou deskou.

​​​​​​​​​​​​Téměř celé území chráněné krajinné oblasti patří do západního úseku flyšového pásma Karpat, zastoupeného magurskou skupinou příkrovů. Pouze mezi Sudoměřicemi a Strážnicí zachází do oblasti asi 2 km široký pruh neogénu. Z magurské skupiny příkrovů je tu nejvíce zastoupená bělokarpatskáKrajina CHKO Bílé Karpaty.​​​​​​ jednotka (svrchní křída-eocén), v SV části sem zasahuje jednotka bystrická (paleocén-eocén) a v části severní pak jednotka račanská (faciálně pestré uloženiny spodní křídy- spodního oligocénu). Všechny terciární horniny jsou překryty málo mocnými usazeninami kvartémími (svahové hlíny, sutě, fluviální sedimenty aj.).

V neocénu došlo v okolí Bojkovic, Bánova, Komně. Nezdenic a Starého Hrozenkova k intruzi pravých i ložních žil neovulkanitů z trachyandezitů a čedičů do vrstev sedimentů magurské flyšové skupiny. Na tyto intruze jsou v lomu Bučník vázány významné mineralogické výskyty (je zde popsán výskyt 51 nerostných druhů např.: galenit, pyrit, sfalerit, wulfenit, cinabarit….). Největší zvláštností tohoto lomu je výskyt porcelanitu, tj. tepelně přeměněné horniny (původně jílovce). Pro svoji žilkovitou strukturu je často využíván jako surovina pro výrobu šperků.

Horniny magurského flyšového příkrovu často obsahují značný podíl uhličitanu vápenatého v podobě vápnitého tmelu nebo žilek zaplňujících trhliny. Jejich vymýváním vodou a následným vysrážením ze studených vodních roztoků s vyšším obsahem Ca(HCO3)2 vznikají pěnovce. Ty nalezneme zpravidla na svazích kde na rozhraní propustného nadloží a nepropustného podloží vytvářejí kaskády.

Poměrně bohaté je území na minerální prameny. Ty se vyskytují hlavně v okolí Luhačovic, kde dochází k výronům uhličitých vod, které se charakterizuji jako uhličité, hydrogenuhličitano-chloridové, sodné, jodové, studené, hypotonické s další přísadou bromu, železa, lithia, bária a kyseliny metaborité. Původ těchto vod souvisí s terciárními geologickými procesy. Léčivé účinky jejich pramenů jsou využívány v největších moravských lázních Luhačovicích. Další přítomnou skupinou minerálních vod jsou simé vody, které obsahují především sirovodík.