Geologický vývoj oblasti Českého středohoří je velmi složitý. Jde o třetihorní vulkanické pohoří, které se prodralo mnohem staršími vrstvami, zejména druhohorními. Ty tvoří na mnoha místech mocnou vrstvu usazenin slepenců, pískovců, vápenitých jílovců, slínovců (opuk) a vápenců. Jsou důkazem existence pradávného mělkého moře. Samotné hory jsou nejčastěji tvořeny čedičovými (téměř ze tří čtvrtin), trachytickými a andezitickými horninami. V podloží vyvřelých a usazených hornin jsou v Českém středohoří zastoupeny starohorní přeměněné horniny a hlubinné vyvřeliny, řazené obvykle k tzv. krušnohorskému krystaliniku. Spolu s Českým středohořím vznikly ve třetihorách i Doupovské hory, Chebská, Sokolovská a Mostecká pánev.
Podoba pohoří dotváří četné čtvrtohorní klimatické změny (pravidelné střídání glaciálů a interglaciálů – dob ledových a meziledových). Ty zásadně přispěly k vývoji údolí Labe, které patří k velmi významným prvkům krajiny severních Čech. Přechody chladných a teplejších period vyvolávaly bouřlivé změny počasí. Silné větry unášely velké množství prachu, vznikajícího zvětráváním hornin. Intenzivní mrazové zvětrávání v chladných obdobích vedlo k rozpadu skalních útvarů do mohutných suťových polí, které se sunou po příkrých svazích, jen minimálně krytých vegetací. Tyto svahy jsou náchylné k sesuvům a skalnímu řícení.
Pestrý geologický vývoj učinil z Českého středohoří významnou mineralogickou oblast, s nálezy nerostů skupin oxidů, karbonátů a silikátů. K nejznámějším minerálům těchto skupin patří opál, kalcit, aragonit, olivín, augit, pektolit, biotit, apofylit, chabazit, natrolit, phillipsit a thomsonit. České středohoří proslulo výskytem a těžbou českého granátu neboli pyropu. Zvláštnost představují historické nálezy tří diamantů, jediných na evropském kontinentu.
Bohatá geologická stavba pohoří umožňuje těžbu různých surovin, zejména štěrku a písku pro stavební účely. Dále vápenců pro cementárny. Tento fakt výrazně přispívá k ničení středohorských dominant.
