Геологическое строение территории области сложно и разнообразно.
Древние палеозойские породы выступают на поверхность главным образом в юго-западной части области – на окраине Центрально-Казахстанского мелкосопочника, представляющего собою пенепленизированную страну, которая претерпела сложную геологическую историю. Неоднократные процессы складкообразования, сопровождающиеся интенсивной вулканической деятельностью, сменялись здесь трансгрессией и регрессией моря. Длительные континентальный период мезозоя создал благоприятные условия для развития процессов денудации и накопления в связи с этим толщи коры выветривания. Рыхлые накопления кайнозоя в этой части области ограничены. Наибольшие площади их развития приурочены к Прииртышской равнине, где они совместно с отложениями мезозоя покрывают древний палеозойский фундамент.
К наиболее древним образованиям области относят толщи кембросилура, представленные в основном метаморфическими сланцами, мраморированными известняками, яшмами, порфиритами и туфами. Значительные выходы их имеются в междуречье Оленты и Шидерты, в районе Бозшакуля.
В результате проявления каледонской складчатости в толщу этих накоплений были внедрены тела ультраосновных пород – габбро и диоритов. В настоящее время эти породы обнажаются в ядрах антиклинальных складок и являются основными очагами сосредоточения хрома, никеля, меди и железа.
В первой половине девона на территории области накапливались в основном эффузивные образования, представленные альбиторифами, порфиритами и их туфами. Основные участки их развития приурочены к северным и южным окраинам Баянаульского района.
В конце девона происходит накопление морских толщ, представленных в основном известняками, содержащими мощные запасы подземных вод.
В каменноугольный период происходит значительное накопление и лагунных образований – известняков, алевритов аргиллитов – с прослоями углей. К этому периоду относится образование каменноугольных месторождений Екибастуза. Бурно проявившаяся здесь герцинская эпоха горообразования сопровождалась интенсивным вулканизмом и вторжением кислых лав. Главным очагом развития таких лав является Баянаульский интрузив, сложенный алясковитыми и биотитовыми гранитами. С этими гранитами генетически связано образование различных полиметаллических руд. Кроме того, они содержат обильные запасы трещинных вод высокого качества. Основные массивы гранитов несут на себе реликтовые сосновые леса.
Для мезозойского периода характерна длительная денудация, в результате которой накопились мощные толщи континентальных образований - пестроцветных глин, песков с прослоями и линзами бурого угля и углистых сланцев. Наибольшей концентрации эти отложения достигают в Майкубенском буроугольном бассейне. Кроме образования бурых углей, с мезозойскими накоплениями связаны промышленные месторождения каолиновых глин и белых кварцевых песков.
Отложения кайнозоя имеют в области широкое распространение. Их мощность увеличивается по направлению на северо-восток: от 10 метров на левобережье у озера Селетытениз до сотен метров на правобережье в Павлодарском районе.
Морские палеогеновые глины, мергели и песчаники развиты на большой площади левобережья Прииртышской равнины и местами обнажаются в долине Иртыша (у сел Белогорье, Кривинское и др.). Выходы их имеются также и по берегам некоторых прииртышских озер.
На морские палеогеновые осадки налегают континентальные отложения неогена. Они представляют собой чередование пестроцветных глин, мергелей и песков. Отложения неогена обнажаются по правобережью по правобережью Иртыша в основании яров. Наиболее характерны в районе Павлодара неогеновые осадки, в которых встречены многочисленные кости ископаемой фауны – гиппариона, мелких мастодонтов и др. В связи с близким залеганием засоленных третичных глин грунтовые воды равнинной территории области сильно минерализованы. Такое явление в некоторой степени влияет на засоленность поверхностных вод и на образование участков солончаков.
Рыхлые отложения четвертичного времени занимают большую часть территории Прииртышской равнины; незначительные накопления их имеются и в пределах мелкосопочника. В составе их преобладают пески, суглинки, галечники, представляющие собою строительный материал.