Ved Ås og Søvind i den østligste del af kommunen består de prækvartære lag, dvs. de lag, som er ældre end 2,6 mio. år, af Søvind Mergel, som er kalkholdigt ler fra Eocæn. Leret overlejres af glimmerler fra Tidlig Oligocæn. Lagene fra såvel Eocæn som Oligocæn blev aflejret i havet og er efterfølgende blevet deformeret af en af istidens store gletsjere.
I vest udgøres de prækvartære lag af sand med tynde lag af ler- og brunkul, som blev aflejret i floder og søer i Tidlig Miocæn. Lagene kan bl.a. findes i grusgrave ved Addit og Voervadsbro, hvor de kun er dækket af tynde istidsaflejringer. I dybder på 25‑50 m kan man mod øst og nordøst desuden følge lag af glimmerler, glimmersand og kvartssand, som fra Tidlig Miocæn blev aflejret på land og tæt på kysten.
Over de prækvartære aflejringer findes lag, som blev aflejret af is og smeltevand under de efterfølgende istider. Istidslagene er typisk 50‑100 m tykke og består af moræneler og smeltevandssand, -ler og -grus fra istiderne Elster, Saale og Weichsel samt fra Holstein- mellemistid. Ved Horsens er istidslagene dog helt op til 225 m tykke. Det skyldes, at området er præget af en dal, der løber mod vest i forlængelse af fjorden. Dalen blev formentlig dannet ved tektoniske påvirkninger i Miocæn. Ved Egebjerg nord for Horsens findes aflejringer fra istiden Elster i 35‑100 m’s dybde. De overlejres af 20‑50 m tyk diatomégytje og sand, der blev aflejret i ferskvand i Holstein-mellemistid. Over disse lag findes 15‑50 m tykke lag af moræneler og smeltevandssand fra de to seneste istider, Saale og Weichsel.
Aflejringer fra tiden efter sidste istid kan bl.a. findes som ferskvandsaflejringer langs søer og åer eller som havaflejringer i bunden af Horsens Fjord.
Der indvindes grundvand fra lagene af smeltevandssand og -grus samt fra de miocæne sandlag.
