På Orø og Tuse Næs består de prækvartære lag, dvs. de lag, som blev afsat før istiderne, af Bryozokalk fra Danien, der ligger i 15‑30 m’s dybde. I resten af kommunen ligger lagene i 35‑100 m’s dybde og består af grønsandskalk og ler fra Paleocæn. Leret kan i dag ses i de gamle lergrave ved Holmstrup og Hanerup.
I store dele af kommunen dækkes de prækvartære lag af moræneler fra sidste istid, Weichsel; enten som bundmoræneflader eller som dødisområder. Derudover har sand og grus, som blev aflejret i issøer, skabt et særdeles bakket terræn ved Brorfelde. I boringer fra Holbæk er der også fundet havaflejringer i form af Græsted Ler fra den mellemste del af sidste istid.
Havaflejringer fra tiden efter sidste istid optræder mange steder langs bl.a. Holbæk Fjord, Tuse Næs og Orø. På Tuse Næs optræder der især sandlag og grovkornede strandvolde. Dertil kommer den inddæmmede Lammefjord, som dækkes af 2‑6 m tykke lag af marint sand, silt og ler. Ferskvandsaflejringer af sand, ler og tørv findes langs kommunens vandløb samt i bl.a. Åmose og langs Gyrstinge Sø. Der indvindes grundvand fra Bryozokalken og fra lagene af smeltevandssand og -grus.
