Podkladem Moravského krasu, na většině míst skrytým hluboko pod mladšími horninami, je starohorní těleso brněnského masivu, tvořené granodiority, místy s diority až tonality. Před zhruba 400 miliony let (během prvohor, v období devonu) byl masív souší a byl silně zvětrán. Do pánevních depresí splachy přinášely zvětralinový materiál – pestře zbarvené pískovce, arkózy a slepence. Označujeme je jako bazální klastika devonu. Dnes lemují celé území Moravského krasu na jeho západním okraji. K významným lokalitám jejich výskytu patří Babí lom u Lelekovic a Červený kopec v Brně.

Na dně moře

V mladších obdobích devonu došlo k poklesu východního okraje brněnského masívu a vytvořil se mělký sedimentační prostor  teplého a čistého moře. V něm byly optimální podmínky pro růst a rozvoj mohutných kolonií přisedle žijících živočichů, jako jsou koráli a stromatopory. Vápnité schránky těchto organismů se staly základním stavebním kamenem vápenců Moravského krasu, které dnes zaujímají plochu necelých 70 km2.

Nejstarší soubor vápencových vrstev označujeme jako macošské souvrství. To se skládá ze čtyř odlišných typů vápenců: vavřineckého, josefovského, lažáneckého a vilémovického. Ukládání proběhlo v několika cyklech, tak se tyto základní typy vápenců několikrát opakují.

Vápencové vrstvy

Za nejstarší vápence macošského souvrství jsou označovány vavřinecké vápence malých mocností s bohatou stromatoporoidovou faunou. Mladší jsou josefovské vápence. Mají tmavošedou barvu a jsou uloženy ve výrazných deskách až lavicích. Představují sediment příbřežní zóny místy tvořený akumulacemi schránek tlustoskořepatých brachiopodů rodu Bornhardtina. Vyskytují se u Josefova a v Pustém žlebu. 

Lažánecké vápence se ukládaly v podmínkách teplého moře. Od josefovských se liší především jiným zastoupením fosilií – zejména stromatopor rodu Amphipora a jinou strukturou horniny. Lažánecké vápence pak přecházejí do nadloží pozvolna do vápenců vilémovických. Vilémovické vápence místy obsahují celé kolonie budované korály (rodů např. Caliopora, Alveolites) a stromatoporami (rodů např. Actinostroma a Amphipora). Vilémovické vápence jsou velmi jemně zrnité, hrubě lavicovité až masivní, světle šedé barvy. Z chemického hlediska se jedná o velmi čisté vápence představující optimální horninu pro tvorbu krasových jevů.

Ukládání vápenců Moravského krasu bylo ukončeno před zhruba 350 miliony let (v nejsvrchnějším devonu a spodním karbonu) líšeňským souvrstvím v nadloží macošského souvrství. Líšeňské souvrství je složeno ze dvou typů vápenců. Za starší jsou považovány pestře zbarvené křtinské vápence s úlomky starších vápenců. Lemují vápencový pruh Moravského krasu na východě zejména v okolí Křtin a Jedovnic. V jižní části se vyskytují mladší hádsko-říčské vápence.

Ukládání pokračuje 

V nadloží líšeňského souvrství jsou usazeny nekrasové flyšové sedimenty spodního karbonu tzv. drahanského kulmu. Jsou to zejména břidlice, droby a slepence složené z úlomků okolní souše. Na několika místech vystupují ostrůvky mladších druhohorních usazenin, například jurských písčitých vápenců bohatých na fosilie, z nichž nejznámější jsou nálezy amonitů, belemnitů, ježovek, živočišných hub apod. Z období křídy zůstaly ve střední části Moravského krasu dochovány pestře zbarvené jílovito-písčité sedimenty rudických vrstev, které vyplňují hluboké deprese ve vápencovém podkladu. Naspod těchto vrstev se vyskytují dříve těžené železné rudy, najdeme zde i křemenné geody.

Ještě později se usazovaly třetihorní jíly, písky a štěrky, které vyplňují sníženiny krasových plošin, například vyplňují dna žlebů. Z kvartéru pochází štěrkopísky, spraše, fosilní půdy a hlíny, jejichž mocnost dosahuje až několika desítek metrů a často vyplňují právě jeskyně.

Během celého geologického vývoje byly horniny různě deformovány – zlomy, vrásami. Mezi nejvýznamnější části patří pásmo Blanenského prolomu.