L’osservazione delle rocce, prevalentemente carbonatiche, che formano l'ossatura dei Colli Berici, e il rinvenimento in esse di numerosi organismi, animali e vegetali, allo stato fossile (molluschi, ricci di mare, coralli, alghe, ecc.) consentono di attribuire al rilievo collinare un'origine marina.
La successione degli strati rocciosi, dunque, non è altro che il risultato di un lento e pressoché costante processo di deposizione di sabbie, di fanghi e di frammenti di gusci di animali sul fondo di un mare che, alcune decine di milioni di anni fa, si estendeva con acque calde e limpide dove oggi sorgono i colli.
Sul fondale, mai molto profondo, i sedimenti si accumulavano uno sull'altro con spessori sempre maggiori, fino a raggiungere qualche centinaio di metri, mentre l'ambiente si modificava, nel tempo e nello spazio, sotto l'effetto delle spinte e delle sollecitazioni, cui era sottoposta la crosta terrestre dallo spostamento delle zolle tettoniche e dalle prime avvisaglie di formazione di una nuova catena alpina più a nord.
La vita animale e vegetale, che numerosa popolava quell'antico mare, registrava continui cambiamenti, con l'estinzione di alcuni organismi e con la comparsa di nuove forme, che andavano ad occupare gli spazi lasciati liberi, mentre la sabbia e il terriccio, trasportati dai corsi d'acqua, che dalle terre emerse limitrofe si gettavano in quel bacino, seppellivano i sedimenti sottostanti, indurendoli e cementandoli fino a farli diventare, attraverso complessi fenomeni fisico-chimici, solida e compatta roccia.
Il mare di allora, chiamato Tetide, si trovava, in quel lontano passato geologico, a una latitudine molto inferiore rispetto alla posizione odierna dei Colli Berici, in corrispondenza dell'attuale linea dei Tropici, come risulta anche dai resti fossili di organismi, i cui corrispettivi attuali vivono oggi nei mari e negli oceani prossimi all'Equatore.
La formazione rocciosa più antica che si può incontrare sui Colli Berici è la Scaglia Rossa del Cretacico superiore e, in parte, dei Paleocene, con un'età di circa 90-65 milioni di anni. La roccia, rivelatrice di un mare ancora abbastanza profondo, è costituita da un sedimento molto fine e si riconosce facilmente per il colore rosato, grigiastro nella porzione sommitale, e soprattutto per una stratificazione ben distinta e sottile; al suo interno racchiude numerosi resti di organismi fossili, soprattutto di piccole dimensioni.
Dopo una fase di parziale emersione del fondo marino, corrispondente in parte all'Eocene inferiore (circa 55 milioni di anni fa), il mare riprese il sopravvento nell'Eocene medio (50-40 milioni di anni fa), con sedimentazione di livelli calcarei spesso ricchi di componente argillosa e con una stratificazione non sempre molto evidente, dall'aspetto scaglioso e di colore grigio-giallognolo.
Questo particolare momento della storia geologica dei Berici, che registrò anche un’attività eruttiva, sottomarina e subaerea, di notevole estensione, si protrasse, con alterne vicende, per un lunghissimo periodo di tempo, testimoniato dall'elevato spessore dei sedimenti.
I versanti dei colli, in corrispondenza delle rocce dell'Eocene medio, presentano oggi pendenze variabili, ora più dolci quando la percentuale argillosa nel calcare è consistente, ora più accentuate fino a verticali quando invece la roccia è più compatta, la stratificazione quasi assente e il contenuto di argilla ridotto al minimo.
Le condizioni ambientali del mare non mutarono di molto nell'Eocene superiore (40-36 milioni di anni fa), mentre si arrestò l'attività eruttiva. Verso la fine del periodo, però, si innescò gradualmente un processo modificatore dell'ambiente, che andò così incontro a radicali trasformazioni.
Molti organismi, che in precedenza si erano riprodotti in grande quantità, contribuendo con i loro gusci a formare una consistente porzione del sedimento, divennero piuttosto rari o addirittura si estinsero, mentre altre forme di vita presero il sopravvento, diventando ben presto i protagonisti attivi e condizionanti dell'ambiente acqueo.
Furono soprattutto le alghe calcaree e i coralli coloniali a proliferare nelle acque calde, limpide e ricche di sali di quell'antico mare; grazie al loro accumulo e alla loro esuberante capacità di crescita, si originò una lunga e stretta barriera, orientata in direzione nordest-sudovest, sopraelevata di alcuni metri sul fondale circostante, che separò il mare aperto verso sudest da un'ampia laguna interna, con acque calme e poco profonde, che da quel muro si estendeva a nordovest verso le terre emerse.
I resti di quella scogliera, riferibile alla Formazione delle Calcareniti di Castelgomberto, sono ancor oggi visibili nella lunga sequenza di pareti rocciose verticali, che si estendono da Lumignano a San Donato di Villaga. La laguna, sul cui fondo si deponeva lentamente anche il sedimento più fine, costituito da frammenti organici e inorganici che andavano a formare una roccia del tutto particolare, la nota pietra tenera dei Colli Berici, comunicava con il mare aperto attraverso alcuni canali, che interrompevano la continuità della scogliera organogena.
Questa situazione ambientale perdurò per gran parte dell'Oligocene (36-24 milioni di anni fa), spesso accompagnata da attività eruttiva: colate laviche sottomarine o proiezione all'esterno, attraverso camini vulcanici, di materiale magmatico, in gran parte già consolidato e delle dimensioni più varie.
Sul finire dell'Oligocene, una emersione del fondo marino, che causò probabilmente, insieme con l'interramento dei bacino, la morte della scogliera, favorì anche l'instaurarsi di un inizio di erosione carsica dei fondale già consolidato. Poi, ancora una volta, il mare riprese il sopravvento e la sedimentazione sul fondo continuò durante il Miocene inferiore, con accumuli prevalentemente sabbiosi (saldame), ricchi soprattutto di molluschi bivalvi e di ricci di mare dal guscio molto appiattito e appartenenti alla Formazione delle Arenarie di Sant'Urbano.
L’emersione finale del fondo e l'innalzamento dei Colli Berici (circa 6 milioni di anni fa) chiusero definitivamente la fase di formazione delle rocce, che rappresentano l'ossatura dell'attuale rilievo collinare. I potenti pacchi di roccia, inarcandosi per effetto di poderose spinte laterali della crosta terrestre, furono portati a diverse centinaia di metri di altezza, mentre il mare, sempre più ridotto in estensione, abbandonava nel Pliocene la Pianura Padana, ritirandosi verso sudest.
Una volta emersi, i Colli Berici subirono i lenti e molteplici effetti dell'erosione, causata dall'acqua, dal vento, dal calore solare e dal gelo. Gli agenti atmosferici modellarono le forme del rilievo, scavando sempre più in profondità le valli e incidendo i fianchi delle colline. Il processo, ancor oggi in atto, è destinato a durare fino al totale spianamento dei colli, quando il mare, prendendo nuovamente possesso di una piatta pianura, segnerà l'inizio di un nuovo ciclo orogenetico.
