Από γεωλογικής απόψεως, η επαρχία Κερύνειας αποτελείται από αποθέσεις ιζηματογενούς προέλευσης, η ηλικία των οποίων κυμαίνεται από την Τριαδική εποχή (230 εκ. χρόνων) μέχρι την πρόσφατη Ολόκαινη εποχή. Η κατανομή των διαφόρων γεωλογικών αποθέσεων, ανάλογα με την ηλικία τους, έχει ως εξής:
α) Αποθέσεις Τριαδικής - Ιουρασικής περιόδου (Σχηματισμοί Ιλαρίωνος, Συγχαρί και Δικώμου): Τα αρχαιότερα πετρώματα της επαρχίας Κερύνειας ανήκουν στους γεωλογικούς σχηματισμούς του Ιλαρίωνος, Συγχαρί και Δικώμου και βρίσκονται στην οροσειρά του Πενταδάκτυλου. Αποτελούνται από μια σειρά αλλοχθόνων, συμπαγών, σκληρών ασβεστόλιθων και δολομιτών που αρχικά εναποτέθηκαν πολύ πιο βόρεια από τη σημερινή τους θέση και μεταφέρθηκαν, σε μεταγενέστερες γεωλογικές περιόδους, νοτιότερα κατά τη διάρκεια τεκτονικών κινήσεων. Οι ασβεστόλιθοι αυτοί είναι ουσιαστικά κρυσταλλωμένες ποικιλίες μαρμάρων.
β) Αποθέσεις Μαιστριχτίου - Κατώτερης Μειόκαινης περιόδου (Σχηματισμοί Καλογραίας - Αρδάνων και Λαπήθου): Των πιο πάνω ασβεστολιθικών αποθέσεων υπέρκεινται με ασυμφωνία σειρά πελαγικών κιμωλιών, μαργών και ασβεστόλιθων με παρεμβολές «ζωνών» λαβών (Σχηματισμός Λαπήθου).
Τόσο ο Σχηματισμός της Λαπήθου, όσο και οι Σχηματισμοί Ιλαρίωνος, Συγχαρί και Δικώμου, καλύπτονται από το φλύσχη Καλογραίας - Αρδάνων, ο οποίος αποτελείται από γραουβάκες, πηλίτες, ασβεστολιθικές μάργες και λατυποπαγή. Ο φλύσχης απαντάται στην περιοχή μεταξύ των χωριών Πέλλα Παΐς και Καλογραία.
γ) Αποθέσεις Μέσης Μειόκαινης περιόδου (Σχηματισμός Κυθρέας): Ο φλύσχης της Κυθρέας (γραουβάκες, μάργες, ψαμμίτες, πηλίτες, βασικό κροκαλοπαγές) καταλαμβάνει μεγάλες εκτάσεις βόρεια και νότια της οροσειράς του Πενταδάκτυλου.
δ) Αποθέσεις Πλειόκαινης - Πλειστόκαινης περιόδου (Σχηματισμοί Λευκωσίας και Αθαλάσσας): Ο Σχηματισμός Λευκωσίας, που είναι Πλειοκαινικής ηλικίας, αποτελείται από ασβεστολιθικούς ψαμμίτες, άμμους, κροκάλες, αμμώδεις μάργες, μάργες και μαργαϊκούς ασβεστολίθους και απαντάται μόνο κοντά στο χωριό Μύρτου, όπου καταλαμβάνει μικρή έκταση. Ο Σχηματισμός Αθαλάσσας με τους ασβεστολιθικούς ψαμμίτες, τους άμμους και τις αμμώδεις μάργες, κάμνει αισθητή την παρουσία του στο δυτικό τμήμα της Κερύνειας και συγκεκριμένα στη διοικητική έκταση των χωριών Αγία Ειρήνη, Κορμακίτης, Λιβερά, Διόριος, Μύρτου, Καρπασία και Ασώματος.
ε) Αποθέσεις Πλειστόκαινης περιόδου (Σχηματισμός Αναβαθμίδων): Ο Σχηματισμός Αναβαθμίδων (ασβεστολιθικοί ψαμμίτες, άμμοι και κροκάλες) εκτείνεται σ' ολόκληρη την παράκτια πεδιάδα της Κερύνειας. Απαντάται επίσης στα νότια του Πενταδάκτυλου μεταξύ των χωριών Κουτσοβέντης και Καμπυλή, καθώς επίσης στη διοικητική έκταση των χωριών Διόριος και Κορμακίτης.
στ) Αποθέσεις Ολόκαινης περιόδου (Αλλουβιακές αποθέσεις): Πρόκειται για πρόσφατες αποθέσεις άμμων, αργίλλων και κροκαλών που μεταφέρθηκαν σε μεγάλες ποσότητες από τους ποταμούς και εναποτέθηκαν στα χαμηλότερα τμήματα των κοιλάδων τους. Καταλαμβάνουν μια αρκετά μεγάλη έκταση στο δυτικό τμήμα της Κερύνειας και ιδιαίτερα στη διοικητική έκταση των χωριών Αγία Ειρήνη, Κορμακίτης, Διόριος και Λιβερά. Απαντώνται επίσης, σε μικρότερη έκταση, στις κοιλάδες των μικρών ποταμών μεταξύ των χωριών Άγιος Επίκτητος και Άγιος Αμβρόσιος.
Η επαρχία Κερύνειας παρουσιάζει επίσης ενδιαφέρον και από παλαιοντολογικής απόψεως. Σε ορισμένους γεωλογικούς σχηματισμούς, όπως της Λαπήθου και της Κυθρέας, απαντώνται πολυάριθμα μικροαπολιθώματα και ειδικότερα διάφορα γένη και είδη τρηματοφόρων. Σε άλλους νεότερους γεωλογικούς σχηματισμούς της Πλειόκαινης περιόδου (απολιθωματοφόροι ασβεστόλιθοι) εντοπίστηκε μια μεγάλη ποικιλία απολιθωμάτων που περιλαμβάνει εχινόδερμα, βρυόζωα, τρηματοφόρα, όστρακα μαλακίων και το θαλάσσιο φύκος Lithothamnium. Τέλος σε σχηματισμούς της Πλειστόκαινης περιόδου ανευρέθησαν απολιθώματα θηλαστικών και συγκεκριμένα του νάνου ελέφαντα (Elephant cypriotes) και του νάνου ιπποπόταμου (Hippopotamus minutus). Τέτοια απολιθώματα θηλαστικών (κομμάτια οστών και δοντιών) βρέθηκαν στα δυτικά του μοναστηριού του Αγίου Χρυσοστόμου και στα δυτικά του χωριού Κουτσοβέντης. Οστά του νάνου ιπποπόταμου βρέθηκαν επίσης στα βόρεια του χωριού Αγία Ειρήνη.