U krajoliku i stijenama sačuvani su zapisi povijesti našeg planeta i uz njihovu je pomoć moguće pratiti procese, promjene i zbivanja koja su je oblikovala tijekom milijuna godina. Informacije sačuvane u stijenama i krajoliku su jedinstvene i začuđujuće krhke, a ono što se jednom uništi, odlazi u nepovrat.
Područje Parka građeno je gotovo isključivo od taložnih stijena nastalih u pradavnim morima Tethysu i Paratethysu. Magmatske stijene se pojavljuju samo na maloj površini između Plešivice i Samobora. Područje Žumberka i Samoborskog gorja sadrži naslage starosti od perma do kvartara, odnosno otprije više od 250 milijuna godina do stijena koje nastaju i danas. Starost stijena određujemo pomoću nađenih fosila ili okamina organizama koji su živjeli u određenim periodima Zemljine prošlosti. Među ostacima života koji se mogu naći u Parku značajne su okamine davno izumrlih amonita, glavonožaca (Gregurić brijeg), riba, školjkaša, morskih ježinaca te fosilizirani ostaci biljaka.
Ovo područje po svom geotektonskom i zemljopisnom sklopu pripada granici između tzv. Dinaridske karbonatne platforme (Dinaricum) i područja Unutrašnjih Dinarida (Supradinaricum). Stoga se ovdje isprepliću prirodna i zemljopisna obilježja dinarskog krškog terena i krških zaravni, panonskog blago ravničarskog kraja mirnih terasa i vodotoka te prialpskog krajolika oštrih grebena i hridi.
Najstarije su stijene nastale u paleozoiku tijekom perma prije više od 250 milijuna godina. Te najstarije stijene su klastiti (pješčenjaci, kvarcni konglomerati i breče), koji su često impregnirani željezovitim hematit-limonitnim mineralima te stoga često obojeni crveno i ljubičasto ili presvučeni žutom. Na Žumberku ih nalazimo samo kod sela Relići, dok su na Samoborskom gorju zastupljene na većim područjima. Uz njih su vezane rudne pojave željeza, olova, cinka, bakra, zlata i žive sa debelim slojem gipsa i anhidrita u dolinama Lipovečke Gradne, Ludvića, Okićnice te Rudarske Gradne. Glavnina rudnih pojava u Samoborskom gorju nalazi se u dolini potoka Rudarska Gradna, između sela Rude i Braslovje. Eksploatacija ležišta željezne i bakrene rude u Rudama seže u daleku prošlost. Najstariji podaci prema kojima se može zaključiti da je u Rudama proizvedeno 2200 do 2800 tona bakra, govore da se u selu Rovi (današnjim Rudama) već 1210. godine rudario bakar.
Stijene iz perioda mezozoika nastajale su u geološkim razdobljima trijas, jura i kreda, od prije 230 do oko 65 milijuna godina. U to doba ovdje se nalazio ocean Tethys. U njemu su nastajale raznovrsne stijene i živjela razna bića čije okamine danas nalazimo. Najveći dio terena Parka prekriven karbonatnim stijenama iz razdoblja trijasa, posebice dolomitima. Među ostacima života iz tog razdoblja značajne su okamine davno izumrlih amonita i glavonožaca s Gregurić brijega. Vapnenačke stijene iz razdoblja jure nalazimo kod Liješća, Brašljevice, Sošica, Blaževog brda, Tomaševaca, Rajića, Šimraka, Kordića. U razdoblju krede nastali su raznovrsni vapnenci istaloženi na morskim grebenima, pločasti vapnenci s proslojcima i gomoljima tvrdih rožnjaka (npr. vapnenac tipa «Scaglia» u Budinjaku), konglomerati, vapneni lapori, lapori i škriljavci, naizmjence istaloženi lapori, škriljavi lapori i pješčenjaci, silificirani vapnenci. Na početku toga razdoblja nastale su i magmatske stijene iz okolice Okića. Stijene nastale u razdoblju krede nalazimo kod Slanog Dola, Prekrižja Plešivičkog, Kotara, Golubića, Pokleka, Budinjaka, Mrzlog Polja. One također pokrivaju gotovo cijeli dio Parka sjeverno i zapadno od Vivodine, koji je prekriven tzv. vivodinskim flišom.
Završetkom krede, prije oko 65 milijuna godina, započinje novi period kenozoik, od kojeg je stariji tercijar, a mlađi, u kojem i mi živimo, je kvartar. Tercijar se dalje dijeli na stariji paleogen i mlađi neogen, paleogen se dijeli na paleocen, eocen i oligocen, a neogen na miocen i pliocen. Tethys ocean je postojao i u razdoblju početaka tercijara, pa tako kod Sv. Leonarda nalazimo paleocenske breče. Nakon toga se uslijed jakih tektonskih poremećaja krajolik ovoga kraja u cijelosti mijenja te je tijekom desetina milijuna godina ovdje bilo uglavnom kopno, koje je bilo dio velikog otoka negdje između Afrike na jugu i Eurazije na sjeveru. U razdoblju miocena, prije 18 milijuna godina, dolazi do promjena koje su dijelove tog otoka pretvorile u velika jezera. U tim su jezerima nastali pijesci, kvarcni pijesci, lapori, gline, ali također i ugljen. Nalazimo ih kod Grdanjaca, Otruševca te sjeverno od Stojdrage. Mrki ugljen iz Grdanjaca se koristio za potrebe nekadašnje staklane te za lokalne vapnare.
Prije 15 milijuna godina je nova orogeneza stvaranja ulančanog gorja od Pirineja preko Alpi i Dinarida do Himalaje prouzročila da su priobalni tereni samoborskog i žumberačkog kopna bili djelomično potopljeni morem Paratethys. Iz tog su vremena preostale raznovrsne taložne stijene i brojni fosili školjaka, puževa, ježinaca i koralja, kao i fosilizirano lišće s obližnjeg kopna. Tektonski poremećaji potom uzdižu Alpsko – Dinarsko gorje, a dotadašnje morske pučine postaju manja mora, nakon toga jezera, a potom kopno. To se vrijeme, prije otprilike dva milijuna godina, poklapa sa završetkom tercijara i početkom kvartara. U najmlađe kvartarne sedimente spadaju gline, pijesak, šljunak, sedra i mlađi aluvijalni nanos lokalnih vodotoka. Kvartar dijelimo na pleistocen i holocen.
Razdoblje pleistocena globalno je obilježeno izmjenama ledenih i međuledenih doba, koje su zajedno s tektonikom i izdizanjem terena vodile velikim promjenama krajolika. U tim je vremenima proces okršavanja, a onda erozija i snižavanje, znatno mijenjao krajolik te pripadajući živi i neživi svijet. Od prije pedesetak do stotinjak tisuća godina, iz vremena paleolitika datiraju i prve ljudske izrađevine lovaca starijeg kamenog doba.
Početak holocena nije značio konačno stalan krajolik. Prije desetak tisuća godina je započelo topljenje ledenog pokrova te je krajolik pleistocenskih crnogoričnih šuma postepeno ustupao prostor bjelogorici. U to su vrijeme ove krajeve otkrili prvi poljodjelci i stočari neolitika, mlađeg kamenog doba. S njima započinje kontinuirano prebivanje čovjeka u ovom kraju.
Takva građa uvjetuje postanak krša, koji zahvaća čak 90% teritorija Parka. Ovdje nalazimo brojne krške površinske oblike poput ponikvi, uvala i slijepih dolina. Česti su ponori i kratke ponornice, naročito u zapadnom dijelu Parka. Pored površinskih krških pojava, na području Žumberka i dijela Samoborskog gorja, nalazimo brojne podzemne krške pojave poput spilja i jama. Na tom je području do sada istraženo preko 137 speleoloških pojava. Za sada se najdubljom smatra spilja Bedara s istraženom duljinom većom od 1020 m i dubinom od oko 113 m, dok se najduljom za sada smatra spilja Provala s trenutno 1862 m topografski snimljenih kanala.
Područje Parka je iznimno bogato izvorima vode. Do sada su prikupljeni osnovni podaci za ukupno 847 izvora. Najveći su izvori Kupčine kojima se izdašnost kreće od 102 l/s do oko 1500 l/s. Na žalost, neke od njih ljudi koriste kao smetlišta, ne shvaćajući da su oni izravno povezani s podzemnim vodama koje kasnije koriste za piće.
Na cjelokupnom području Parka razvedenost reljefa je vrlo velika, a tome doprinose brojne duboke erozijske doline strmih strana, planinski vrhovi i grebeni. Među brojnim potočnim dolinama se naročito ističu duboko usječene doline glavnih vodotoka: Bregane, Lipovačke i Rudarske Gradne, Kupčine i Slapnice. Kanjon rijeke Slapnice je zaštićeni krajolik zbog iznimne ljepote i aktivnog procesa stvaranja sedre na više mjesta. Pored krajobraznih vrijednosti samih dolina i vodotoka u nekima od njih nalaze se i slapovi od kojih su najpoznatiji 40 m visok slap Sopot kod Sošica, Vranjački slap, 15 m visok slap Brisalo u dolini Slapnice te Cerinski vir na Javoračkom potoku. Na Vranjačkom slapu u dolini Slapnice se vidi dijelom razrušena, ali i dobrim dijelom aktivna sedrena barijera.
Voda iz krškog podzemlja izlazi na izvorima ili vrelima. Stalni izvori nikada ne presušuju, periodični su aktivni u proljeće i jesen, a povremeni ožive samo pri naglim i obilnim oborinama.
Dalje voda teče svojim koritom čineći potok ili rijeku. Kada potok prelazi preko kaskada ili litica nastane slap. Ako uz slap rastu biljke i mahovina, u određenim se uvjetima može početi stvarati sedra ili tufa te slap biva prekriven slojevima kalcijevog karbonata. U dolini Slapnice sedra nastaje i danas, dok se primjerice u na lokalitetu Vilinske jame kod Grdanjaca može vidjeti sada suha sedrena barijera.
Ponekad površinski tokovi naglo poniru u krško podzemlje i zovu se ponornice, a mjesto kroz koje voda ulazi je ponor. Ponori, baš kao i izvori, mogu biti stalni i povremeni. Na području Parka nalazimo preko 40 ponornica. Voda u kršu može neko vrijeme teći podzemnom mrežom kanala i pukotina, pa opet izaći na površinu na nekom od izvora. Upravo takvo poniranje i ponovno izviranje vodotoka jedna je od posebnosti krških područja.
Voda u krškom podzemlju je iznimno osjetljiva na svako onečišćenje. Kroz raspucane pukotine krških stijena, gdje nema mogućnosti prirodnog pročišćavanja kao primjerice kod šljunkovita tla, voda i onečišćenje brzo prolaze. Ako primjerice izlijemo 1 litru nafte na Svetoj Geri onečistit ćemo oko 1 milijun litara čiste vode, koja će izvirati na nekom od izvora kod Sošica. Treba znati da bi se takvo onečišćenje iznimno dugo zadržalo u okolišu.