Theo các tài liệu địa chất hiện có [9, 31, 34], các thành tạo trầm tích ở khu vực Thừa Thiên Huế có tuổi từ cổ đến trẻ được xếp vào 12 phân vị địa tầng. Các thành tạo trước Kainozoi có chiều dày đến 7.000 m gồm: Hệ tầng A Vương với thành phần là đá hoa, các loại đá phiến, xen quaczit. Hệ tầng Long Đại với thành phần chủ yếu là các đá lục nguyên: cát kết, bột kết, phiến sét có xen andezit. Hệ tầng Tân Lâm gồm sạn kết, cát kết, bột kết, phiến sét. Hệ tầng Cò Bai có thành phần gồm đá vôi, sét vôi, bột kết, phiến sét. Các thành tạo Kainozoi (chủ yếu là đệ tứ) có chiều dày không đáng kể (40 170 m) nhưng đa dạng về thành phần và nguồn gốc bao gồm các tướng nguồn gốc trầm tích: sông, sông biển, sông - lũ, biển, biển - đầm lầy, biển - gió có tuổi thành tạo từ pleistosen sớm (QI) đến Holocen muộn (Q3IV).
Các đá mắc ma gặp trong vùng gồm đá mafic và đá axit thuộc 3 phức hệ: Phức hệ Đại Lộc với thành phần granit biotit, aplit granit. Phức hệ Chaval thành phần gồm piroxenit, gabro. Phức hệ Hải Vân có thành phần là granit biotit và granit hai mica.
Trên bình đồ cấu trúc, vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế nằm ở phía Đông Nam đới kiến trúc Long Đại và nằm trên hai phụ đới Huế và Bình Trị Thiên. Hai phụ đới này được ngăn cách bởi đứt gãy Tà Lao - Huế (Lê Duy Bách, 1992).
Các trầm tích Đệ Tứ và Neogen hình thành lớp phủ lên móng địa chất trước Kainozoi đã bị phân dị tân kiến tạo từ cuối Miocen với đới sụt hạ tương đối Tam Giang - Phú Vang ở phía đông và khối nâng tây Huế. Ranh giới giữa chúng là đứt
gãy Hương Long - Quảng Xuyên. ở trũng sâu Tam Giang - Phú Vang chiều dày
trầm tích Đệ Tứ tăng dần về phía biển, dao động trong khoảng 90 164 m, còn ở đới nâng phía tây Huế trầm tích Đệ Tứ mỏng, chỉ trong khoảng 40 60 m.
Cũng theo các tài liệu hiện có trên cơ sở phân tích địa mạo, ảnh viễn thám thì vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế còn bị chia cắt kiểu khối tảng bởi nhiều đứt gãy theo phương á kinh tuyến và phương Tây Nam - Đông Bắc: đứt gãy sông Tả Trạch, đứt gãy sông Hữu Trạch, các đứt gãy khác và các vòm nâng hiện đại mang
tính cục bộ: vòm An Hòa, vòm Phú Vang, vòm Thủy Thanh.
ở vùng hạ lưu sông Hương, biểu hiện của đứt gãy là nguồn nước khoáng nóng tại LK314 ở Phú Dương. Cửa biển Hòa Duân nằm trên phương kéo dài của đứt gãy này. Cửa biển Thuận An hiện nay nằm trên phương kéo dài của đứt gãy khác.
Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai xuất hiện vào cuối Holocen muộn và được hoàn thiện vào khoảng 3.000 4.000 năm trước như là kết quả tất yếu của tương tác lục địa - biển, phát triển mang tính kế thừa và tiếp diễn của các thế hệ Lagun trước đó trong quá trình chung thành tạo đồng bằng Thừa Thiên Huế.
