El Paratge Natural de Poblet es troba situat a cavall de dues unitats morfoestructurals molt diferents, la Serralada Prelitoral Catalana, coneguda en aquest sector com les Muntanyes de Prades, i la Depressió de l'Ebre.

En concret, els límits del Paratge, inclouen els materials que pertanyen al marge oriental de la Depressió de l'Ebre, i els que corresponen al sector nord de les Muntanyes de Prades, constituïts per un sòcol paleozoic que suporta una cobertora més o menys horitzontal d'edat mesozoica.

El contacte entre aquestes dues unitats és de tipus mecànic, la falla de Poblet, que suposa la principal estructura tectònica que es troba dins el Paratge, capaç de posar en contacte, materials sedimentats amb més de 300 milions d'anys de diferència.

Alhora, el Paratge conté gran part dels afloraments ignis de tot el massís de les Muntanyes de Prades, el que complementa encara més l'interès geològic general d'aquest espai.

Per poder interpretar el paisatge geològic del Paratge i conèixer els materials que hi podem trobar, ens podem fixar en la taula on es troben esquematitzats els temps geològics que s'expliquen a continuació amb els materials que es poden observar en aquest espai.

El Paleozoic

Els materials del Paleozoic dominen gran part de la superfície total del Paratge. En concret, hi afloren materials que corresponen al Silurià (els més antics de totes les Muntanyes de Prades) i al Carbonífer.

El Silurià es troba molt localitzat en el sector de les Masies, just en els primers metres de camí de pujada a la Pena. Actualment, és l'únic aflorament conegut dins el Paratge i es caracteritza per pissarres negres carbonoses, amb filons de pirita (color daurat) i marcasita. L'existència de fòssils (graptòlits) ha permès la identificació d'aquests nivells com a Silurià Inferior.

El Carbonífer està format per pissarres i gresos pissarrosos de color gris fosc. La interpretació dels materials carbonífers del Paratge, respon al procés de colmatació d'una conca marina que s'inicia amb una sedimentació predominantment argilosa passant cada cop a termes més detrítics cap a la part superior, com són els conglomerats que són ben visibles en les proximitats de l'ermita de la Trinitat i a la serra Llarga, al nord de Castellfollit.

El Paleozoic de les Muntanyes de Prades, es troba travessat per dues intrusions de granit i diorita, així com alguns dics de naturalesa anàloga. A conseqüència d'aquesta intrusió, les sèries sedimentàries del Silurià i del Carbonífer van sofrir metamorfisme de contacte.

L'edat d'aquestes intrusions és clarament paleozoica, tot i que no es pot concretar amb exactitud. Es pot afirmar que són posteriors al Carbonífer, ja que el creuen i el metamorfitzen, i anteriors al Buntsandstein, ja que no l'afecten.

Els materials granítics i porfídics afloren al barranc de Castellfollit, al barranc de l'Argentada, al voltant del pic de l'Àliga i a la part alta del barranc del Titllar. Les roques diorítiques només afloren a la pista forestal de la Pena.

El Mesozoic

El Mesozoic que aflora al Paratge, és format pel Triàsic, que descansa damunt el sòcol paleozoic i es localitza a les parts altes del sector est del Paratge, i té continuïtat cap al sud ja fora dels límits del parc. El Triàsic és format des de la base fins al sostre per tres pisos: el Buntsandstein , el Muschelkalk i el Keuper . Aquest últim però, no aflora dins els límits del Paratge.

Els nivells corresponents al Buntsandstein descansen damunt el sòcol paleozoic. Aquests materials formen una cornisa que corona els relleus paleozoics en direcció quasi exacte E-W, des de l'ermita de Sant Joan fins a la Pena, i estan formats bàsicament per gresos vermells i conglomerats amb còdols ben arrodonits, sobretot de quars i algun de diorita.

El segon pis del Triàsic, és el Muschelkalk . Els tres estatges del Muschelkalk són coneguts com a M1, M2 i M3, a manera d'abreviació de Muschelkalk inferior, mig i superior, respectivament. Dins els límits del Paratge, aflora únicament el M1, just per sobre del Buntsandstein, el M2 i el M3, es troben més al sud, en el sector de Rojals. El Muschelkalk inferior o M1 és un tram predominantment calcari, que només correspon a una franja del límit est, en el sector proper al mirador de la Pena. El mirador es situa damunt els materials del Muschelkalk inferior, el qual no apareix en el sector oest, ni central del Paratge.

El Cenozoic

El Cenozoic, i en concret els materials corresponents al Terciari , representen una petita part dels afloraments existents al Paratge. Per altra banda, els materials cenozoics pertanyents al Quaternari són abundants i en molts casos han fossilitzat els nivells terciaris cobrint-los del tot.

Els materials terciaris que afloren al Paratge, corresponen en la seva totalitat a materials sedimentats durant el Paleògen.

Aquests materials, es troben fortament inclinats cap al nord, fruit de l'accident tectònic conegut com la falla de Poblet, que posa en contacte sediments terciaris amb els materials paleozoics al llarg de tot el Paratge, en sentit aproximat E-W. Això fa que el contacte entre el Paleozoic i el Terciari es doni amb nivells de l'Eocè (margues i calcàries d'origen lacustre) en alguns punts, situats estratigràficament per sota els nivells oligocens (margues vermelloses i conglomerats) dominants cap al nord.

Es podria afirmar que la pràctica totalitat dels materials que afloren en les zones baixes del Paratge pertanyen a materials sedimentats durant el Quaternari .

Dels dipòsits quaternaris, caldria destacar, sens dubte, el sector del barranc de del riu Sec, aquesta àmplia vall que comença al peu dels primers cims paleozoics i que pren direcció NE, enllaçant amb la vall del Francolí a prop de l'Espluga de Francolí.

Aquest fons de vall, sense pendent, és cobert per una important formació de graves amb còdols ben rodats i aplanats. Conté còdols i blocs de calcària, pissarra i granodiorita, molt similars als que formen la terrassa inferior del Francolí.