Góry Kaczawskie zbudowane są głównie ze skał metamorficznych pochodzących z początków ery paleozoicznej sprzed ok. 500 mln lat. Są to przede wszystkim zieleńce i fyllity występujące głównie w postaci łupków. Wśród nich wąskim pasmem ciągną się wapienie krystaliczne eksploatowane w Wojcieszowie. W ich obrębie występują liczne jaskinie bogate w nacieki i kostne szczątki zwierząt. Zieleńce można zobaczyć niekiedy w postaci przypominającej wielkie bochny. Są to tak zwane lawy pukliste, które kiedyś wylewały się na dnie morza. W masywie Żeleźniaka występują wspomniane wspomniane w szkolnych podręcznikach łupki radzimowickie – jedne z najstarszych skał w Polsce. To metamofriczne podłoże poprzecinane jest licznymi uskokami, wzdłuż których Góry Kaczawskie zostały wyniesione ponad otoczenie.W zachodniej części powstało w ich obrębie podłużne obniżenie zwane przez geologów Rowem Wlenia. Wypełnione jest ono skałami młodszymi, głównie piaskowcami, osadzonymi na dnie morza przed 70 mln lat. W epoce lodowej lądolód skandynawski dotarł do Gór Kaczawskich. Otoczył je prawie ze wszystkich stron i wdarł się dolinami głęboko w ich wnętrze. Po stopieniu lodów pozostały po nich żwiry, piaski, mułki i iły wypełniające dna dolin. Dziś możemy je oglądać w kilku żwirowniach i piaskowniach głównie w dolinie Bobru i Kaczawy.
Łupki zieleńcowe
Nacieki kalcytowe w jaskini Wałbrzyskiej na górze Połom