הכרמל הוא אחת מתופעות הטבע המרשימות ביותר והעתיקות ביותר, ניתן למצוא בה אבנים מתקופות פרהיסטוריות של עד לפני 145 מיליון שנה(תקופת הקרטיקון).
המבנה הייחודי של הרי הכרמל הוא תוצאה של מיליוני שנים של תנועה שינויים ולחצים.
הכרמל מאופיין במורדות תלולים ובקרקע סלעית ומחורצת היוצרת ערוצי נחלים עמוקים ומצוקיים. הקרקע עשויה ברובה מסלעי משקע מתקופת הקרטיקון העליון(לפני 97 מליון שנה), אך ניתן למצוא גם סלעים מתקופת הקרטיקון התחתון בחלקו הצפון-מזרחי ומתקופת הפליסטוקן בשוליו. אופי הסלעים ועובי השכבות אינו אחיד ומשתנה בין אזורי הכרמל השונים בשל העובדה שבתקופת הקרטיקון עבר אזור הכרמל מהים הרדוד לים העמוק מה ששינה את הלחץ ותנועת המים, וכן בשל הגעשיות שהותירו בו סלעי בזלת וטוף ששינו את תוואי השטח וצבעו.
פלא נוסף הוא התרוממות הכרמל מעל לפני השטח. תהליך התרוממותו של הכרמל החל, ככל הנראה, בתחילת תקופת הפליוקן(לפני 5.5 מליון שנה)ן ונמשך, בקצב איטי מאוד, גם היום. כתוצאה מהתופעות הגאולוגיות השונות ניתן למצוא במקומות רבים בכרמל צנירים(מצוקים קעורים). תופעות אלה אף הובילו את הכרמל כולו להתעצב לשלושה אזורים גאוגרפיים הנבדלים זה מזה בגאולוגיה, באקלים ובצמחייה.