Na Třebíčsku vystupují dva hlavní geologické celky, tzv. moldanubikum, tvořené silně přeměněnými horninami, a třebíčský masiv s hlubinnými vyvřelinami, v různé míře pokryté zejména nezpevněnými usazeninami třetihorního a čtvrtohorního stáří. V našem okolí nejsou s výjimkou kamene známa žádná využitelná ložiska nerostných surovin.
Nejstaršími horninami moldanubika jsou krystalické břidlice, převážně biotitické (s obsahem tmavé slídy) pararuly. Ty představují přeměněné usazeniny mělkého moře, které tu existovalo před stovkami milionů let. Mořský původ v nich dokládají vložky mramorů, což jsou přeměněné původní vápencové útesy. Horniny moldanubika se rovněž vyznačují poměrně slabou radioaktivitou.
Hlavní „geologickou dominantou Třebíčska“ je třebíčský masiv, který vznikl v prvohorách a proráží okolní krystalické břidlice. Je tvořen horninami vzniklými utuhnutím taveniny (magmatu) v hloubce asi 12 km a jeho stáří bylo určeno na 335 mil. let. Vznikl v závěru horotvorných procesů, které stmelily tehdejší, tzv. variskou Evropu a zanechaly po sobě pohoří táhnoucí se naším kontinentem a dosahující tehdy výšky dnešních Himalájí.
Horniny třebíčského masivu lze označit převážně jako žulosyenity, které představují v zájmovém území hlavní horninový typ třebíčského masivu. Jde o horninu velmi zvláštního chemického složení nemající ve světě příliš obdobu. Je zároveň bohatá na hořčík a draslík, se zvýšenými obsahy radioaktivních prvků, zejména thoria a méně i uranu. Horniny jsou nemagnetické, se zvýšenou, ale kolísající radioaktivitou (a v určitých místech i zvýšenými výrony radonu). Např. v Třebíči nás mohou zaujmout výchozy třebíčského masívu na levém břehu Jihlavy, tvořené skalnatými svahy Hrádku, pod nimiž se tísní bývalé Židovské město. Skály jsou tvořeny tmavým žulosyenitem, v němž vynikají světlé vyrostlice draselného živce. Tmavá slída (biotit) tvoří společně se sloupečky amfibolu a zrny šedého křemene základní hmotu horniny. Ale aby to nebylo úplně jednoduché, tak zde existuje ještě druh žulosyenitu, který vzhledem k vysokému obsahu hořčíku, draslíku a chrómu nazýváme durbachitem. Třebíčským masivem v údolí řeky Jihlavy v Třebíči probíhá ve východozápadním směru tzv. třebíčský zlom. Z hlediska tektoniky lze říci, že o zemětřeseních na tomto zlomu nejsou zachovány žádné historické doklady, neboť má patrně příliš krátký průběh. Pokud však existuje jeho napojení na horažďovickou zlomovou linii, může existovat vzhledem k délce této linie potenciální nebezpečnost, která by měla být sledována, např. v souvislosti s monitoringem seismického ohrožení JE Dukovany. Žulosyenit třebíčského masivu představoval v historii cenný ozdobný kámen (tzv. trnavská nebo třebíčská žula). Je z něj postavena i bazilika sv. Prokopa v Třebíči, dále byl využíván na pomníky a drobné stavby. Surovina většinou pocházela z velkých balvanů, tak charakteristických pro malebnou krajinu severně od Třebíče (v ní se nachází i geologická Přírodní památka „Syenitové skály“ u Pocoucova). V blízkém okolí Třebíče je hornina vlivem tektonických procesů rozpukaná a podrcená a vylomení větších bloků je málo pravděpodobné.
Zmíněné prvohorní pohoří vznikalo poměrně rychle (výpočty ukazují na zdvih až okolo 4 mm za rok, což jsou 4 km za 1 mil. let), a proto bylo po odeznění horotvorných sil také rychle zarovnáno působením vnějších činitelů. Po následné mořské záplavě v druhohorách zůstalo jen několik valounů rohovců se zkamenělinami (např. na Terůvkách a u Slavic), ostatní usazeniny zcela zmizely po mladším vyklenutí Českomoravské vrchoviny.
Poté nastupuje období třetihor, od druhohor oddělených dnes již známou kosmickou katastrofou celoplanetárních rozměrů, která vyhubila 80 % všech živých organismů včetně populárních dinosaurů. Nejstaršími horninami třetihor jsou u nás zbytky tropických zvětralin, odpovídající tehdejší poloze Třebíčska nedaleko rovníku. Jsou reprezentované jednak pestrými jíly s opály, jednak zbytky křemenců („sluňáků“) či železitými písčitými sedimenty. V mladších třetihorách potom zasáhlo až k Třebíči teplé mělké moře, ale pozůstatky po něm se zachovaly jen na vzdálenějších místech u Hostimi a Kralic nad Oslavou. Z mladších třetihor pocházejí také usazeniny sladkovodního původu se známými přírodními skly – vltavíny, představujícími bezesporu největší přírodní zajímavost našeho regionu. Jsou pozůstatkem další kosmické katastrofy před 15 miliony let, tentokrát „jen“ evropských rozměrů. Nacházejí se v rezavě zbarvených jílovitopísčitých usazeninách s většími úlomky křemene a ve štěrcích.
Čtvrtohory zastupují hlíny až hlinitokamenité sedimenty na svazích a spraše. Poslední bývají často odvápněné a jde vlastně o sprašové hlíny s konkrecemi (vysráženými novotvary) kalcitu (tzv. cicváry). Místy mocnější polohy spraší a sprašových hlín poskytovaly surovinu místním cihelnám v Borovině, Poušově, u Táborského mlýna aj. Spraše byly naváty větrem na svahy ukloněné k východu a jihovýchodu. Pocházejí z nich nálezy pleistocénních (starší geologický úsek čtvrtohor) kostí divokých koní, nosorožce, mamuta apod. Nejmladšími sedimenty jsou hlinité a jílovité výplně údolí potoků a nivy řeky Jihlavy. Činností člověka vznikly četné antropogenní sedimenty, např. hráze rybníků, silniční náspy, ale i skládky odpadu apod.