Geologia i rzeźba terenu Obszar parku budują wapienie pochodzące z górnej jury. Powstały na dnie dawnego morza ze szkieletów organizmów, a ich miąższość w wielu miejscach dochodzi do 200 m. Są dwa typy tych wapieni: twarde wapienie skaliste i miękkie wapienie ławicowe. Wapienie skaliste tworzą liczne formy skałkowe, wapienie ławicowe wypełniają obszar między nimi. W wapieniach skalistych znajduje się głównie szkielety gąbek, w ławicowych ramienionogów oraz krzemienne buły.
W paleogenie na Wyżynie Olkuskiej w wyniku długotrwałych procesów denudacyjnych doszło do powstania falistej wierzchowiny. W pliocenie podlegała ona silnej erozji, w wyniku której powstała obecna sieć dolin i wąwozów usłanych skałkami z twardych wapieni skalistych. Wyróżnia się formy dolinne i wierzchowinowe. Do form dolinnych należą jary o głębokości do 100 m, nieduże dolinki krasowe, wąwozy oraz terasy i stożki (usypiskowe bądź napływowe). Nad wznoszącą się ponad dolinami wierzchowiną górują ostańce. Największymi dolinami są Dolina Prądnika i Sąspowska, o płaskim dnie i stromych, często pionowych lub nawet podciętych zboczach, ich dnem płyną potoki. Do nich uchodzi wiele mniejszych, przeważnie bezwodnych dolin bocznych. U ich wylotu często tworzą się stożki napływowe spychające potok pod przeciwległy brzeg, np.