丘陵地の東側には、硬質泥岩からなる草薙層と玄武岩溶岩からなる青沢層が分布している。平野部はほとんどが、シルト・砂・礫で構成される沖積層が分布しており、段丘堆積物は、丘陵地と平野の境界付近や丘陵地を侵食する河川沿いに断片的に分布する。

山地を構成する青沢層とより西側に分布する鮮新世の地層とは断層で接している。丘陵地に分布する鮮新世の地層には、北に開いた向斜構造が見られ、より西側の更新世の地層と断層で接する。丘陵の西縁では更新世の地層が西に急傾斜しており背斜構造を示している。重力異常（ブーゲー異常）からみた地下構造は平野部の酒田市付近を中心とした負の重力異常を示し、山地から丘陵地にかけては、等重力線が密になっている。