A Bükk-vidék Geopark földtudományi szempontból legkarakteresebb része a gyűrt, takarós szerkezetű Bükk hegység és az északról hozzá kapcsolódó Upponyi-hegység.
A kréta időszakban kialakult hegységek kőzetei nagyrészt az ordovíciumtól a jura időszakig képződtek. Meghatározó ezen belül a triász mészkő, de különleges képződmények a jura párnalávák, melyek a mélytengeri vulkanizmus emlékei. A Bükk hegységet keretező dombságban harmad- és negyedidőszaki üledékes kőzetek, valamint robbanásos működéshez kapcsolódó miocén vulkanitok a jellemző felépítőkőzetek.
A geopark felszínalaktani, víztani karakterét a karsztformák (karrmezők, töbrök, víznyelők, barlangok), a karbonátos kőzetekben kialakult karszt-hidrodinamikai rendszer (stratégiai ivóvízbázis) és a mélyben meghúzódó termál-karszt (gyógyvizek) alkotják.
A kőzetekhez kötődő régészeti, történelmi, néprajzi örökség a régészeti lelőhelyekként nyilvántartott ősemberbarlangoktól a bányászat- és ipartörténeti emlékeken (bányatárók, őskohó, üveghuták) át a bükkaljai kőkultúráig (kaptárkövek, borospincék, barlanglakások) ível.
A Bükk földtörténete
A Bükk hegységet főleg tengeri üledékes kőzetek építik fel, amelyek, a földtörténeti óidő karbon időszakától (330–310 millió évvel ezelőttől) a középidő jura időszakának végéig (170–150 millió évvel ezelőttig) képződtek. A 140–180 millió év alatt lerakódott, szinte folyamatos tengeri üledéksort mészkő, valamint később palává préselődött agyag (agyagpala), radiolarit, dolomit és homokkő alkotja. A Bükk sajátos arculatát a triász időszaki fehér és világosszürke mészkő határozza meg: ezek a térszínek hordozzák a hegység gazdag karsztformakincsét.
A triász és jura időszakokban a békés mészkőképződést jelentős kéregmozgásokkal együtt járó tenger alatti tűzhányó tevékenység szakította meg. A mélytengeri árok kinyílásával kapcsolatos bazaltból álló párnaláva-halmazok és az üledékbe nyomult magmás (gabbró, ércperidotit) kőzetek Szarvaskő környékén láthatók a felszínen.
A kréta időszakban alakult ki a Bükk hegység gyűrt–átbuktatott redős-pikkelyes–rátolódásos (takaróredős) szerkezete. A kréta időszakot csupán a Nekézseny környékén felszínre bukkanó konglomerátum képviseli (bár ez a képződmény az Upponyi-hegységet alkotó formációra települt, s bükki kavicsot nem tartalmaz). Egyes geológusok véleménye szerint a hegységet felépítő paleozoikumi-mezozoikumi képződmények két rétegtani-kifejlődési egységbe sorolhatók, míg mások elkülönítenek egy harmadikat is, az ún. Szarvaskői Takarórendszert.
Az újidőre tehát „megszületett” a Bükk, egy bonyolult szerkezetű hegység, amely a hegységképző mozgások hatására kiemelkedett, szárazfölddé vált. A szeszélyes felszínű–redőteknők, redőboltozatok, föl- és áttolt pikkelyek és takarók alkotta vidék a késő eocénig trópusi tönkfelszínné egyengetődött. A földtörténeti újidőben a hegység területe többször megsüllyedt és kiemelkedett. E függőleges kéregmozgások a tenger előrenyomulásá-val és visszahúzódásával jártak, amelyek nyomán mészkő-, agyag-, homok-, homokkő- és kavicsrétegek képződtek, melyek nagy hányada felszínéről lehordódott. A középső miocén tengeri üledékek például közvetlenül a Bükk triász-jura időszaki kőzeteire települtek.
A középső-miocén többször előrenyomuló tengerének határát a hullámverési szinlők –ma 300–500 méter tszf.magasságban megtalálható maradványai jelölik ki. Ekkortól a késő-miocénig három szakaszban riolitos és dácitos vulkanizmus zajlott, melynek nyomán az egész hegységet nagy tömegben borították be a laza és összesült riolit-riodácit tufák, tufitok, melyek a Bükkalja felépítésében játszanak jelentős szerepet.
Már a késő-miocénben megkezdődött a Bükk napjainkig tartó karsztosodása, valamint mai vízhálózatának kialakulása, mivel a folyamatosan emelkedő hegységről végleg lehúzódott a tenger, ami a néhányszor történő visszatérésekor már csak a peremeket borította el. Főleg a Bükk-fennsík és a Kis-fennsík felszínén, de az Északi- és a Déli-Bükk mészkőterületein is a karsztjelenségek gazdag együttesével találkozunk.
