Podłoże zbudowane jest ze skał kredowych, głównie margli. Pokrywają je plejstoceńskie osady zlodowacenia środkowopolskiego, w tym piaski przewiane w wydmy. Pilica oraz jej dopływy formują podmokłe doliny o sterasowanych zobaczach, rozcinając region na szereg równin o genezie denudacyjnej i poziomie wysokości bezwzględnych 220–250 m. Rzeźbę urozmaicają wzgórzyste wypiętrzenia utworzone z margli i opok dochodzące do poziomu 290 m.
Pokrywę glebową tworzy mozaika gleb płowych, rdzawych, ochrowych, torfowych i murszowych. Na powierzchni płaty lasów przeplatają się z obszarami rolniczymi. Region cechują liczne mokradła i łąki pozostawione odłogiem, a także stawy hodowlane pobudowane przy Pilicy i jej dopływach: Krztyni, Białce, Baryczce, Zwleczy, Czarnej.
Różnice w podziałach geograficznych thumb|Obszar Niecki Włoszczowskiej wg regionalizacji J. Kondrackiego z 1994 r. Mezoregion Niecki Włoszczowskiej w regionalizacji fizycznogeograficznej Polski według Jerzego Kondrackiego obejmował swoim zasięgiem rozległe terytorium wynoszące ok. 1200 km². W jego skład, oprócz doliny Pilicy z bliskim otoczeniem, wchodziła także dolina Warty na zachodzie oraz obszar miedzyrzecza Pilicy i Białej Nidy na wschodzie.