Langs kysterne består de øverste geologiske lag af strandvolde af grus og sten. Nogle af de mest markante strandvoldsområder findes på østkysten syd for Balle, i Ebeltoft Vig og Kalø Vig samt i de indre dele af Kolindsund. Bag strandvoldene ligger et hævet marint forland af ler og sand, som blev aflejret i Littorinahavet (Stenalderhavet). Derimod er der kun få områder med flyvesand langs kysterne. Ferskvandsaflejringer i form af især tørv fra tiden efter sidste istid er vidt udbredte i dale og dødishuller.
I Rugård Klint finder man kommunens ældste istidsaflejringer. Her ligger aflejringer fra istiden Elster, mellemistiden Holstein samt istiderne Saale og Weichsel oven på lag af ler fra Paleocæn. Moræneler og smeltevandsdannelser fra sidste istid findes over store dele af kommunen og kan spores tilbage til flere forskellige isfremstød: Kattegat Isstrømmen, der kom fra nord, Nordøstisen, som kom fra Sverige, og Det Ungbaltiske Isfremstød, der kom fra syd. Tirstrup Hedeslette, der består af smeltevandssand og grusaflejringer, blev dannet i forbindelse med det sidste fremstød. Også Mols Bjerge blev presset op fra syd af Det Ungbaltiske Isfremstød, som her nåede Den Østjyske Israndslinje.
De ældre geologiske bjergarter træffes kun som flager i istidsaflejringer i lergrave og i kystklinter. Lige under istidslagene findes bryozokalk fra Danien. Kalklag strækker sig fra øst til vest i den nordlige del af kommunen. Mod syd findes leraflejringer fra Selandien (Paleocæn), og i Rugård Klint, Holme og Jernhatten findes flager af marin mergel, glaukonitsand og kalkfrit fedt ler fra Paleocæn. I lergrave ved fx Ommestrup, Mørke og Basballe findes grå mergel og kalkfrit fedt ler. Længere mod syd er der også leraflejringer fra Eocæn. I Ørby Klint på Helgenæs opstår af og til et profil, som indeholder alle dele af Eocæn: nederst fedt ler med vulkanske askelag, herefter to typer plastisk ler og øverst et lag med fed, meget kalkholdig mergel. Næsten alle flagerne af ældre geologiske bjergarter er presset op fra sydøst af Det Ungbaltiske Isfremstød.
Kommunens grundvandsmagasiner ligger i lag af danienkalk samt i smeltevandssand og -grus. Der er foregået indvinding af ler i en række lergrave og af sand og grus på bl.a. Tirstrup Hedeslette øst for Tirstrup.
