A Serra de Montejunto possui uma grande diversidade de formações geológicas que vão desde formações do Jurássico Médio até formações quaternárias:
- Formações do Jurássico Médio: no maciço de Montejunto os afloramentos jurássicos iniciam-se com os calcários do Dogger da Formação de Candeeiros, constituindo a espinha dorsal do monte anticlinal de Montejunto. Os materiais do Dogger são importantes do ponto de vista geomorfológico uma vez que formam o monte anticlinal mais imponente da Serra de Montejunto. Assim, esta forma de relevo possui um inegável valor geomorfológico, paisagístico e patrimonial (património cársico natural e património construído), sendo extremamente significativa no conjunto da Paisagem Protegida.
- Formações do Oxfordiano: constituídas pelas Camadas de Cabaços (calcários sublitográficos) e pelas Camadas de Montejunto (calcários cristalinos, calcários margosos a margas). As Camadas de Cabaços encontram-se representadas no flanco sul e norte do monte anticlinal de Montejunto. As Camadas de Montejunto correspondem ao afloramento de rocha carbonatada com maior representatividade no maciço.
- Formações do Kimeridgiano: constituem as Camadas da Abadia (grés, conglomerados e calcários com intercalações argilosas), os Calcários Corálicos de Amaral (calcários muito resistentes), os Grés Superiores (complexo de grés e argilas) e o Complexo Pteroceriano (complexo gresoso).
- Formações do Portlandiano: constituem as Camadas de Freixial que são constituídas por grés argilosos, argilas e margas.
- Formações do Cretácico: incluem os Grés com vegetais fósseis de Torres Vedras e Cercal, que apresentam algumas intercalações argilosas
- Formações do Turoniano: constituídas por calcários resistentes.
- Formações do Paleogénico: constituídas pelo Complexo detrítico de Abrigada com intercalações calcárias
- Formações do Miocénico inferior e médio: é constituído pelo Complexo detrítico de Ota e de Alcoentre (alternâncias de grés, grés argiloso e calcários)
- Formações do Plio‑Quaternário: constituídas por depósitos de terra rossa, areias finas de origem marinha transportadas pelo vento e depósitos crionivais localizados em taludes de escombreiras de gravidade
- Formações de rochas eruptivas: formadas por doleritos olivínicos, doleritos, doleritos alterados teschenitos e uma brecha vulcânica.