De ældre geologiske lag i kommunen består af skrivekridt fra Kridttid, kalk fra Danien og ler fra Paleocæn, Eocæn og Oligocæn. Lagene, som ligger lige under kvartærlagene, fordeler sig således, at den centrale del af kommunen er domineret af danienkalk, mens skrivekridtet og lerlagene ligger hhv. længst mod nordøst og mod sydvest. Dette mønster brydes ved Gassum og i dalen gennem Randers. Ved Gassum ligger det overfladenære skrivekridt omgivet af danienkalk, mens danienkalken ved Randers er dækket af paleocænt og eocænt ler.
Grænsen mellem Danien og Selandien træder frem i mergelgraven ved Svejstrup. Derudover indgår ler fra Paleocæn, Eocæn og Oligocæn i de isforstyrrede bakker ved Lysnet, Ølst og Dronningborg.
Istidsaflejringerne i Randers Kommune består nederst af moræneler og smeltevandssand og -grus fra istiden Saale. Over disse aflejringer ligger to lag af moræneler fra den sidste istid. De blev aflejret af gletsjere, som kom fra hhv. sydøst og nordøst, og er adskilt af smeltevandsaflejringer. Ved Hollerup Kiselgurgrav kan man finde søaflejringer fra mellemistiden Eem og begyndelsen af sidste istid.
Der indvindes råstoffer som sand og grus flere steder i kommunen. Ved Ølst Bakker graves der desuden fedt ler, mens der indvindes bentonit ved Dronningborg. Kommunens grundvandsmagasiner ligger i istidsaflejringer, danienkalk og skrivekridt.
