Die Naturparke Diemelsee und Kellerwald-Edersee repräsentieren die Geologie des Rheinischen Schiefergebirges und bieten Einblicke in erdgeschichtliche Prozesse des Erdaltertums (Devon, Karbon). Mit maximalen Höhen von über 800 m erhalten die Kammlagen von Rothaargebirge und Kellerwald mehr als doppelt so viel Niederschlag wie das übrige Gebiet des Geoparks. Wind und Wetter prägen Mensch und Natur, Waldreichtum und gezielte landwirtschaftliche Nutzung ausgewählter Gunsträume kennzeichnen diese herbe Landschaft.

Am Ostrand des Schiefergebirges markieren zechsteinzeitliche Kalksteine eine ehemalige Meeresküste. Die in diesen Ablagerungen angelegte Korbacher Spalte ist eine der wissenschaftlich wertvollsten und weltweit bedeutendsten permzeitlichen Fossilfundstellen der nördlichen Hemisphäre. Karsterscheinungen (Trockentäler, Flussschwinden, artesische Quellen) auf der Korbacher Hochfläche sind auf die durchlässigen Zechstein-Kalke im Untergrund zurückzuführen.

Die weiträumigen Buntsandsteinlandschaften des Burgwaldes und der Waldecker Tafel repräsentieren das beginnende Erdmittelalter. Der Burgwald selbst ist mit rund 200 km² Ausdehnung eines der größten zusammenhängenden Waldgebiete Mitteleuropas. Die jüngsten Gesteine finden sich schließlich im Nordosten des Geoparks mit Vorkommen von Muschelkalk, Unterjura, Kreide und tertiären Basalten. Schichtstufen aus flachlagernden Sedimentschichten prägen das Landschaftsbild und bedingen ein abwechslungsreiches Mosaik aus Wald, Wiesen und Ackerland. Tertiäre Braunkohle und die eiszeitlichen Flussschotter von Eder und Schwalm im Südosten des Geoparks runden das Spektrum der vorhandenen Ablagerungen ab.