Geologisch gesehen, besteht das Gebiet des Saalelaufes zwischen Hirschberg und Saalfeld ausschließlich aus Gesteinen des Erdaltertums, das heißt sie sind älter als 300 Millionen Jahre. In der Schichtenfolge sind es Gesteine vom Ordovizium bis zum unteren Karbon (Kulm). Vor allem sind es Ton-, Kiesel-, Alaun- und andere Schiefer, Grauwacken, Kalksteine und Quarzite. Es handelt sich meist um Meeressedimente, die im Karbon zum Varistischen Gebirge aufgefaltet, wieder abgetragen und eingeebnet wurden.

Im Laufe der Jahrmillionen waren die gebirgsbildenden Vorgänge häufig vom Vulkanismus begleitet. Die im Gebiet weitverbreiteten Diabase (steinerne Rose) und der Granit (Henneberg bei Wurzbach)sind magmatischen Urspungs.

Die unterschiedliche Widerstandfähigkeit der Gesteine hat im Zusammenhang mit dem fließenden Wasser die vielfältigen Formen des Saaletals hervorgebracht.

Tonschiefer verflachen die Formen und gestalten sie sanft und regelmäßig und ergeben bei tiefen Flusseinschnitten gleichmäßige Neigungen von 20 bis 35 Grad. Hieraus erklärt sich auch die Ausräumung des weiten Beckens zwischen Burgkwald und Saalburg, in dem der Bleilochstausee seine größte Breite von 2 km erreicht.

Widerständige Gesteine bilden enge Täler mit steilen , felsigen Hängen, bzw. es treten turmartige, steilwandige Felspartien hervor (Heinrichstein, Kuhstall, Totenfels, Luchsloch, Bleiberge u.s.w.). Die in die Hochfläche des Schiefergebirges eingeschnittenen Täler verdanken ihre Entstehung der allmählichen Hebung des Gebirges bei gleichzeitiger Vertiefung durch fließende Gewässer. Die Saale hat hiermit zwischen Hirschberg und Saalfeld ein Durchbruchtal durch das gesamte Schiefergebirge geschaffen.