Das Fuldaer Stadtgebiet liegt im osthessischen Becken, das im Tertiär während der saxonischen Gebirgsbildung entstand.

Über der abgesenkten Bruchscholle des Beckens breitete sich das Zechsteinmeer mit mächtigen Salzablagerungen aus. Die durch die Auslaugung dieser Salzschichten (Lösung im Wasser) gebildeten Subrosionssenken sind vielerorts im Planungsgebiet anzutreffen (z. B. im Industriegebiet Fulda West).

Nach dem Rückzug des Meeres lagerten sich im Trias Sandsteine des mittleren und unteren, vereinzelt auch des oberen Buntsandsteins über den Schichten des Zechsteines ab. Er bildet als härteres Gestein Schichtstufen unter den jüngeren, meist abgetragenen, weicheren Muschelkalkschichten, deren marine Ablagerung im Anschluß an die Periode der überwiegend terrestrischen Sedimente des Buntsandsteins erfolgte, als ein Meer den Oberrheingraben mit der Nordsee verband. Die langgestreckten, schmalen Kalkbänke bilden heute die Ränder des Großenlüderer (von Besges bis Sickels) und Fuldaer Grabens (vom Frauenberg bis Edelzell). Bekannte Erhebungen des Wellenkalkes sind der Schulzenberg und der Geisküppel mit ihren Kalkmagerrasen.

Danach dominierten wieder terrestrische Ablagerungen des unteren (Tongesteine und Kalkbänke) und mittleren Keupers (Gipse, Mergel- und Tonsteine).

Die Kuppen der höchsten Erhebungen, dem Haimberg, dem Frauenberg und dem Kalvarienberg, werden von Basalt gebildet. Als vulkanisches Ergussgestein trat es während der Bruchschollenbewegung an die Oberfläche (Entstehung des Großenlüderer und Fuldaer Grabens durch Absenkung von Bruchschollen).

In der Eiszeit kam es zur Ablagerung von mächtigen Löss- und Lösslehmschichten auf den ebenen Flächen des Planungsgebietes. In den Fluss- und Bachtälern wurden dagegen Auensedimente aus Lehm, Kies und Sand angeschwemmt.