Le sous-sol du Morvan est constitué de substrats variés:

• de roches plutoniques (granites) disposées en deux bandes obliques: au nord, le batholithe des Settons et au sud celui de Luzy. Ces roches se forment lorsque du magma refroidit lentement dans les profondeurs de la croûte terrestre.
• des roches métamorphiques, comprenant des migmatites, des gneiss, des micaschistes, des quartzites qui affleurent au nord sur une bande d’orientation est-ouest. Ces roches sont issues d'une transformation minéralogique et structurale à la suite de l'élévation de la température et de la pression;
• des roches volcano-sédimentaires, appartenant à un complexe primaire du Dévonien et du Dinantien. Elles prennent en écharpe le haut Morvan, région où l’on trouve les roches les plus acides (andésites, trachytes, rhyolites). Les roches volcaniques résultent du refroidissement rapide d'un magma arrivé à la surface,;
• des roches sédimentaires calcaires ou marneuses au nord-est (début de l’Auxois) et au nord-ouest (Vézelien) provenant de l'accumulation de sédiments qui se déposent le plus souvent en couches ou lits superposés, appelés strates.

Le Morvan présente un relief assez faible aux formes arrondies séparées par des vallées parfois encaissées. Les caractéristiques géologiques et géomorphologiques permettent de délimiter assez nettement le Morvan comme un îlot granitique au coeur et au sommet de la Bourgogne calcaire et sédimentaire.