县境内地层分布约占全县面积的80％。从老到新出露较完整。
元古代
板溪群(Pt) 分布于越城岭东侧，为一套灰绿色轻变质的砂质页岩，微层理甚发育，出露厚度约400米。
震旦系(Z) 分布同上，岩性特殊，可分为上震旦统和下震旦统。
下震旦统：下部为灰绿色轻变质含砾泥质砂岩；中部为灰绿色和紫红色长石砂岩，局部夹含板岩；上部岩性与下部类似，但砾石含量较多，厚300米。
上震旦统：下部为灰绿色轻变质页岩，含灰岩、砾砂岩夹变质细砂岩；上部为硅质岩组成，厚230米。
下古生代(早期)
寒武系(e) (距今约5～6亿年) 越城岭东侧山脚及大西江镇的南东面有零星出露。下部为硅质页岩、炭灰页岩夹砂岩，产海绵骨针化石，厚616米。上部为砂岩与页岩互层，厚963米。
奥陶系(O) 下奥陶统(O1) ：分布于大西江镇、东山瑶族乡白岭及海洋山北侧一带。灰至深灰色页岩夹细砂岩，底部为灰岩。产丰富的笔石及少量三叶虫、腕足类等化石，厚2400余米。
中奥陶统(O2)：分布于大西江镇一带，深灰色薄层状硅质岩夹炭质页岩。保存笔石化石。厚68米。
上奥陶统(O3)：分布于大西江镇一带。下部为灰绿色页岩夹粉砂岩；上部细砂岩夹页岩。产笔石化石，厚129米。
上古生代(中、晚期)
泥盆系(D) (距今3～4亿年) 主要出露于县境内湘江东岸自黄沙河至枧塘一带。分为中泥盆统(D2)和上泥盆统(D3)。
中泥盆统(D2)：呈明显的角度不整合覆于下古生界或加里东期花岗岩体之上。下部为砾岩、细砂岩、粉砂岩夹页岩和赤铁矿层。产瓣鳃类腕足类和植物化石，厚200～390米。上部为灰色灰岩、白云岩夹白云质灰岩，产丰富的腕足类、珊瑚和层孔虫等化石，厚400～600米。
上泥盆统(D3)：主要为浅灰色灰岩夹白云岩，往上部变为紫红色砂质页岩和粉砂岩，产腕足类及竹节石化石，厚130～214米。
石炭系(C) 主要分布于城郊乡、才湾镇的铁路沿线和大西江、两河、东山乡等地。以碳酸盐岩为主，可分为下石炭统和中上石炭统。
下石炭统：又分为岩关阶(C1y) 和大塘阶(C1d)。岩关阶(C1y)，为灰黄色页岩夹灰岩，产腕足类、珊瑚和海百合等化石，厚328～408米。大塘阶(C1d) ，下部为深灰色灰岩。产珊瑚、腕足类和百合等化石，厚200～400米。中部为灰至深灰色泥质页岩、炭质页岩、细砂岩夹泥质灰岩。下部夹煤层，产腕足类、珊瑚和植物化石，厚39～68米。上部为灰色灰岩，产腕足类、珊瑚等化石，厚200米。
中上石炭统(C2+C3) ：小面积分布于绍水、两河及庙头镇等地。由白云岩组成，顶部夹有少量灰岩，灰岩中产蜓科化石，厚392米。
二叠系(P)(距今约2.5亿年) 小面积分布于咸水、才湾、两河及庙头镇等地。可分为上二叠统和下二叠统。
下二叠统(P1)：为深灰色岩夹燧石层，具硫化氢，产小型腕足类、珊瑚蜓科等化石，厚12～70米。上部岩性单一，由硅质岩组成，下部夹少量灰岩和泥质灰岩，含锰，局部可形成有价值淋滤富集堆积锰矿层，产菊石、蜓、瓣鳃类和植物碎片等化石，厚100～200米。
上二叠统(P2)：上二叠统出露不全，露头不佳，多为浮土掩盖，与下伏地层接触关系不明。主要由碎屑岩组成。上部为灰黑色硅质岩和少量泥岩。产菊石、瓣鳃类和腕足类等化石，可见厚度60～150米。下部为黑色页岩、黑色泥质硅质岩、细砂岩和粉砂岩夹灰岩劣质煤层，产植物、腕足类化石。
中生代
中生代地层在境内出露不全，仅见有白垩系。小面积分布于咸水、石塘和白宝乡等几处的向斜盆地中，所见仅为其下部。
下白垩统 (K1) ：与下伏地层呈角度不整合接触，下部为紫红色灰岩、泥岩，可见厚度356米。 上部为灰白色和紫红色钙质粉砂岩、长石、石英砂岩夹页岩，可见厚度1240米。保存腹足类、瓣鳃类、介形虫化石。
新生代——第四系(Q)
第四系(距今约2～3百万年)地层广泛分布，主要成因类型有冲积层、堆积层、残积层、洪积层以及混合类型。较主要的为河流冲积层，其分布主要在湘江及其支流的两岸，为河流相的砾石、 砂土、亚砂土、粘土等沉积物组成，厚1～20余米。湘江两岸一般发育有三级阶地。