ژئوپارک ارس از لحاظ موقعیت زمین‌شناسی و بر اساس تقسیم‌بندی‌های پهنه‌های ساختاری-رسوبی ایران، در پهنه ایران میانی واقع شده است. پیکره زمین‌ساختی محدوده ژئوپارک ارس از لحاظ زمین‌شناسی ساختمانی نیز از نوع سامانه رانده-چین‌‌خورده‌ است و گسل‌های تراستی و ساختمان‌های ‌چین‌خورده با روند W-E تا NW-SE از عناصر تکتونیکی غالب در آن است.

ایران میانی خردقاره‌ای است که در حدفاصل پهنه‌های زاگرس در جنوب و کپه‌داغ در شمال واقع شده و گستره آن تا آن‌سوی مرزهاى شرقی و غربی ایران ادامه دارد. این خردقاره خود بخشی از کمربندی از مجموعه خردقاره‌ها است که سیمریا (Cimmeria Microcontinent) نامیده می‌شود و از تبت تا ترکیه گستره دارد. خردقاره سیمریا تا اواخر پالئوزئیک و ابتدای دوره پرمین (حدود 300 میلیون سال پیش) بخشی از اراضی ابرقاره گندوانا (Gondwana) در نیمکره جنوبی زمین و کمی پایین‌تر از خط استوا بوده است تا اینکه در این زمان با انشقاق درون قاره‌ای ناشی از جریان‌های همرفتی گوشته زمین، از این قاره جدا شده و به سمت ابرقاره لوراسیا (Laurasia) در شمال حرکت کرده است‌. خردقاره سیمریا در اواخر دوره تریاس به ابرقاره لوراسیا برخورد می‌کند و بر اثر آن رسوبات ته‌نشست یافته در بستر اقیانوس، چین‌خوردگی یافته و ارتفاعات منطقه شکل می‌گیرد. از آن زمان به بعد فشردگی این قاره‌ تداوم داشته و منجر به چین‌خوردگی و راندگی واحدهای سنگی آن گردیده است.

محدوده ژئوپارک ارس از ویژگی‌های زمین‌شناسی و ریختاری بارزی از جمله رخنمون گسترده و آشکار سنگ‌های رسوبی با وضوح لایه‌بندی و رنگ‌های متمایز، افق‌های آهکی ضخیم و پرفسیل مربوط به اواسط دوران پالئوزئیک تا اوایل دوران مزوزئیک، نهشته‌های آواری موسوم به فلیش در دوره‌های کرتاسه و ائوسن، نهشته‌های آواری سرخ رنگ ائوسن و میوسن و توده‌های آذرین درونی و بیرونی الیگوسن برخوردار است.

سنگ‌های رسوبی مهمترین توده‌های سنگی برون‌زد یافته در ناحیه ژئوپارک ارس هستند. قدمت کهن‌ترین سنگ‌های رسوبی که در محدوده ژئوپارک ارس ‌برون‌زد دارد به 400 میلیون سال پیش یعنی به نهشته‌های دوره دونین برمی‌گردد. نهشته‌های آهکی دوران پالئوزئیک- مزوزئیک این ناحیه در حوضه پلاتفرمی که سکویی وسیع و کم‌تنش بوده تشکیل گردیده است و ماحصل آن ته‌نشست سازندهای آهکی و دولومیتی جیرود در دوره دونین، سازند ماسه‌سنگی درود و آهکی روته در دوره پرمین و سازند آهکی و دولومیتی الیکا در دوره تریاس بوده است. نهشته‌های فلیش از دیگر ته‌نشست‌های گسترده این ناحیه است؛ این نهشته‌ها از انباشت تناوبی از جفت لایه‌های ماسه‌سنگ و شیل در بستر عمیق حوضه دریایی و در مجاورت کوه‌های در حال برخاست در قاره‌ها ایجاد شده است. در این حوضه‌ها، هم‌‌زمان با شدت گرفتن کوهزایی‌ها، فرآیند فرسایش نیز در خشکی‌ها شتاب گرفته و از طریق آن حجم عظیمی از رسوبات ماسه‌ای و گلی به وسیله رودخانه‌ها به دریا حمل شده و در حوضه‌های عمیق دریایی انباشت شده و باعث تشکیل نهشته‌های رخساره فلیشی می‌شوند. نهشته‌های آواری میوسن نیز از افق‌های ضخیمی از کنگلومرا و ماسه‌سنگ سرخ و مارن سبز رنگ تشکیل گردیده و رخنمون این سنگ‌ها در دامنه تپه ماهور‌ها مناظر بدیع و متفاوتی ایجاد نموده است. این چشم‌اندازها اغلب پیرامون نواحی سیه‌رود و ایری در میانه محدوده ژئوپارک نمایان است. در سنگ‌های رسوبی این ناحیه فسیل‌های متنوعی از براکیوپودا، دوکفه‌ای، آمونیت، خارپوستان و مرجان در سازندهای پرمین و تریاس و آثار فسیلی مربوط به فعالیت‌های زیستی جانوران دریایی در نهشته‌های فلیش کرتاسه و ائوسن دیده می‌شود. همچنین جای‌گیری توده‌های نفوذی سنگ آذرین در بخش‌های شرقی و پیرامون روستاهای اشتبین و کردشت و خروج و فوران آتشفشانی نیز که سن تشکیل آن به الیگوسن برمی‌گردد نقش مهمی در تکوین و شکل‌گیری ناهمواری‌های این ژئوپارک داشته و عامل اصلی شکل‌گیری بلندترین ارتفاعات این ناحیه است.