Geologická stavba CHKO Litovelské Pomoraví a jejího širšího okolí je značně složitá. Střídala se tu období horotvorných pohybů (předvariská, variská, alpínská) s obdobími sedimentací. Tektonické pohyby neustaly dosud a jsou kromě jiného i příčinou složitého větvení, meandrování a překládání koryt Moravy. Základním geologickým rysem území je jeho kerná stavba, vyznačující se diferencovanými pohyby jednotlivých ker, oddělených starými, dosud však oživujícími zlomy.

Na těchto horninách spočívá komplex devonských hornin, usazených v geosynklinále. V nich, nejdále od pevniny, se ve značné mocnosti usadily pelitické vrstvy, do nichž při podmořském vulkanismu pronikly vyvřeliny. Tyto spodno-střednodevonské horniny budují Úsovskou vrchovinu, sv. část Třesínského prahu. Blíže pevniny, v mělkém moři devonské geosynklinály, se nejprve usadily středozrnné až hrubozrnné křemence a slepence a pak v jejich nadloží vápence a vápnité břidlice s vložkami lyditů. 
V území CHKO budují zejména pravobřežní část Třesínského prahu a jeho nedávno objevené levobřežní pokračování mezi Mladčí, Litovlí a Červenkou, kde jsou mělce pohřbeny pod pliocénními a kvartérními sedimenty. Jde tu o středodevonské vrstevnaté vápence místy s rohovci a vložkami břidlic, do neznámých hloubek velmi silně zkrasovělé. V okolí Litovle byly v minulosti vápence hojně těženy, dodnes probíhá těžba v lomu "Skalka" u Mladče.

V nadloží spodno-středodevonských hornin vystupují nevápenité úlomkovité horniny různé zrnitosti svrchnodevonského 
až spodnokarbonského stáří. Levobřežní hřbety Třesínského prahu z tohoto komplexu tvoří úzké pruhy (směr SV-JZ) drob místy s vložkami slepenců a břidlic s vložkami pískovců. Spodnokarbonské horniny však vystupují ze sedimentárních pokryvů 
i na několika místech Hornomoravského úvalu, kde tvoří vyvýšeniny typu mendipů. Při pravobřežní hranici CHKO jde zejména 
o výchozy drob v Olomouci, Skrbeni a Horce nad Moravou a drob s vložkami slepenců u Nasobůrek. Výchozy těchto hornin jsou i v Mohelnické brázdě v okolí Mitrovic.

Po ústupu kulmského moře se stal Hornomoravský úval a jeho okolí souší. Vlivem alpínského vrásnění však počala kra Hornomoravského úvalu klesat a od miocénu byla postupně zaplavována mořem. 
    V hlubších částech této nové sedimentační pánve se v badenu usadily mořské tégly, písčité slíny, písky 
a vápenité jíly. Tyto sedimenty sahají od JV až do okolí Horky nad Moravou.

Z důvodu ochrany podzemních geologických jevů, známých krasových jeskyní v Mladči, bylo v oblasti Litovelského Pomoraví zřízeno první chráněné území již v roce 1933! Jedná se o národní přírodní památku "Třesín". Dalším geologickým chráněným územím je přírodní památka "Geologické varhany Brodka" těsně za hranicí CHKO Litovelské Pomoraví.