I vest stammer de prækvartære aflejringer, dvs. de lag, som blev afsat før istiderne, fra Kridt, Paleocæn, Eocæn, Oligocæn og Miocæn. Omkring Gamborg Fjord ligger der eksempelvis Skrivekridt fra Øvre Kridt, mens man på Røjlehalvøen finder aflejringer fra Paleocæn, Eocæn og Oligocæn. I størstedelen af kommunen er der lag af ler og mergel fra Sen Paleocæn. Langs kysterne ved Middelfart findes der desuden kystaflejringer af sand og ler fra Sen Oligocæn og Tidlig Miocæn. De prækvartære aflejringer er blottet i klinterne ved Hindsgavl, Øksenrade og Røjle.
Over de prækvartære lag ligger der istidslag i form af moræne- og smeltevandsaflejringer. Deres tykkelse varierer ganske meget. Mod øst er de ca. 50 m tykke, mod nord når de tykkelser på ca. 120 m, mens de mod vest og syd er 40‑70 m tykke. Langs kysterne bliver istidslagene tynde og kan ofte ses i klinterne. I Røjle Klint kan man fx se aflejringer fra de tre seneste istider, Elster, Saale og Weichsel. Der findes ferskvandsaflejringer fra tiden efter sidste istid i Ejby Mose og ved Vejlby, mens der er havaflejringer ved bl.a. Tybrind Vig, Fænø Vig og Gamborg Fjord. Grundvand indvindes fra lagene af smeltevandssand og -grus.
