I lavtliggende områder langs kysten og langt ind i Kolindsund findes havaflejringer i form af dynd, ler, sand og grus fra bl.a. Littorinahavet (Stenalderhavet). Dertil kommer mere grovkornede aflejringer i strandvolde langs kysten. Havaflejringerne langs kysten er dækket af flyvesand, der især mod nordøst også optræder som indsander langt inde i land. Derudover kan man i dale og lavninger støde på ferskvandsaflejringer af tørv, gytje, ler og sand fra tiden efter sidste istid.
Ved Gjerrild Klint findes ældre moræneaflejringer fra istiden Saale, men ellers er det moræne- og smeltevandsaflejringer fra den sene del af den sidste istid, Weichsel, som dominerer landskabet i Norddjurs Kommune. Smeltevandsaflejringerne er vidt udbredte og findes i dalene og på hedesletterne.
De ældste lag består af bryozokalk fra Danien, som bl.a. er blottet i Sangstrup og Karlby Klinter. Kalken ligger højt og er kun dækket af et tyndt lag af istidsaflejringer. Disse aflejringer er ofte opblandet med de ældre kalkaflejringer.
Kommunens grundvandsmagasiner findes i danienkalken samt i smeltevandssand og -grus. Disse materialer er også vigtige råstoffer. Således har danienkalken været anvendt til brændt kalk og som bygningssten til kirker, mens sand og grus har været udnyttet i bygge- og anlægsindustrien.
