Геологически хребет Кугитангтау устроен сравнительно просто. Это единая горст-мегантиклиналь, практически не осложненная наложенными структурами, срезанная куэстой с востока и имеющая пологое плато на западном склоне, захватывающее высоты от 300 до 3000 м. Плато бронировано известняками кугитангской свиты (верхняя юра, оксфорд и частично келловей) мощностью до 500 метров, в которых и заложены исследуемые пещеры. Местами на плато имеются останцы гипс-ангидритовых отложений гаурдакской свиты (киммеридж-титонских), которые также карстуются, но пещеры в них особого интереса не представляют. Под известняками залегает мощная толща флишевых отложений, не являющихся водоупором. Под куэстой флиши прорываются гранитоидным батолитом и одним вулканогенным массивом, который по всей видимости прорывал и срезанную часть известняков, оставив в руслах каньонов, проходящих сквозь современный гребень, агатовые гальки.
Плато рассечено несколькими сотнями каньонов глубиной до 300-400 метров и длиной до 30 км. Некоторые каньоны вскрывают верхние этажи пещер, но в основном пещеры полностью расположены ниже каньонов и достаточно свободно под ними проходят. Поверхностные формы карста (воронки, поноры и т.д.) отсутствуют полностью.
Известняки довольно интересные - очень плотные, слегка мраморизованные и интенсивно прокремненные. Обычный карстовый процесс в них практически не может развиваться, что и обуславливает прохождение пещер в первых метрах под днищами каньонов без даже мелких перехватывающих поноров. Имеются пропластки с сидеритовыми конкрециями, отдельные включения серы, многочисленные жилы низкотемпературного кальцита и флюорита. Имеется некоторое количество сульфидных жил (свинцово-цинковых), часть которых раньше разрабатывалась. Встречаются единичные жилки с целестином.
Тектоника также проста. Существенную роль играет только система взбросов, почти параллельных оси хребта и формирующих горстовые блоки. Каждый такой взброс (амплитуда 40-300 м.) хорошо прослеживается в рельефе и пересекает плато наискосок, одновременно деля его на выраженные верхний и нижний блок. Остальные тектонические нарушения имеют амплитуду смещения не больше первых метров.