Undergrunden i Faxe Kommune består overvejende af danienkalk. Mest markant træder den frem i Faxe, som ligger på den ca. 60 m høje kuplede bakke oven for Faxe Å. Bakken er opbygget af en op til 70 m tyk serie bryozokalk, der danner bankestrukturer, hvori der også optræder koralkalk. Koralkalken er en cementeret, hård gullig kalk med et rigt fossilindhold af koraller, bryozoer, søpindsvin, snegle og muslinger, som levede på banker og rev i det dengang 100 m dybe hav. Tykkelsen af danienkalken aftager ud mod randen af den hvælvede Faxe Banke, men forekommer stadig med en tykkelse, som overgår danienkalk på Stevns Klint. Ligesom det ses på Stevns Klint er den gullige gråhvide danienkalk aflejret oven på hvidt skrivekridt fra Kridttiden. Skrivekridtet opbygger desuden undergrunden i den sydlige del af Faxe Kommune, hvor danienkalken er bort eroderet under istiden. Omkring Haslev overlejres danienkalken af grå grønsandskalk fra yngre Paleocæn.
Moræneler dominerer overfladelagene i Faxe Kommune i form af bundmoræneflader. Smeltevandssand og grus findes stedvis i overfladen, fx nordvest for Faxe, i den sydøstlige udkant af Haslev og i det kuperede skovparti syd for Gisselfeld. Lagseriens tykkelse varierer en del (10‑25 m), og den blev aflejret under gentagne isfremstød under sidste istid, Weichsel. Lagene er relativt tynde, men foldning og opskydning af is har flere steder forøget tykkelsen. Et eksempel er klinten ved Strandegård Dyrehave, hvor lag fra Eem mellemistid er foldet sammen med Weichsel istidslag. Tegn på isbevægelser ses også som skurestriber på kalkoverfladerne ved Faxe. Fra de isfrie dele af sidste istid er fundet mammuttænder.
En markant postglacial aflejring er Feddet foran Præstø Fjord med havsand og mange strandvolde.
Postglaciale ferskvandsaflejringer findes som sand, ler og tørv langs åer som Tryggevælde Å og Stevns Å og i fx søerne ved Gisselfeld og Haslev. Grundvand pumpes overvejende op fra skivekridt, danienkalk, kalk fra Yngre Paleocæn og smeltevandssand og ‑grus.
