El entorno está ubicado en la cuenca terciaria de Alhama de Murcia-Alcantarilla (IGME, 1974) y en él se observan la mayoría de las unidades estratigráficas del Mioceno superior que componen esta cuenca. Desde el punto de vista tectónico, además del intenso diaclasado de las rocas, este paraje geológico está limitado por la Falla de Barqueros al noreste y sobre todo en el sur  por un accidente muy activo, la llamada Falla de Alhama de Murcia, una de las más importantes de España y que sin duda ha influido directamente en la generación  de los fenómenos erosivos que se observan. La Rambla de Librilla atraviesa y erosiona el núcleo de un gran pliegue anticlinal que se cierra hacia el este, un cierre periclinal. Los flancos de este pliegue forman dos cerros: la Loma del Yesar, al norte, y el Castellar al sur.


Destacan cinco unidades geológicas, cinco conjuntos de rocas, de más antiguos a más modernos son:

1. Margas blancas, que ocupan todo el centro del pliegue y por donde discurre mayoritariamente la rambla y barrancos que desembocan en ellas. Se formaron en un ambiente marino hace unos siete millones de años (Mioceno superior, Tortoniense superior, Montenat, 1973).

2. Secuencia evaporítica, que corona los cerros antedichos y que está muy bien conservada en la cabecera de los  barrancos del Infierno y de la Saladilla. Playà (1998) estudió en su tesis doctoral esta zona e indica en ella que está formada por dos unidades de yesos (que denominó Chícamo y Ribera) en las que se intercala una unidad diatomítico-evaporítica y que han sido correlacionadas con series de similares características que aparecen en la Cuenca de Fortuna. Aquí se observan estructuras típicas de medios sedimentarios muy salinos como pseudomorfos de halita, silificaciones, estromatolitos, yesos primarios y secundarios laminados y nodulares.  Esta serie tiene además importancia micropaleontológica por la presencia distintas especies de diatomeas, foraminíferos plantónicos y bentónicos, etc. La génesis de esta serie evaporítica ha sido atribuida por esta autora a ambientes marinos asociados a la desecación del Mediterráneo durante el Messiniense.

3. Margas y areniscas blancas y amarillentas de origen marino, que ocupan sobre todo el norte del anticlinal y que se observan bien en la cabecera de la rambla, ya cerca de Fuente Librilla. También de origen marino, relativamente somero, y en ellas son comunes estructuras sedimentarias como dunas submarinas, turbiditas someras y edificios coralinos. 

4. Rocas continentales de color mayoritariamente rojo, magníficamente representadas en el curso bajo de la rambla y la Sierra del Cura, del Mioceno terminal. Estos materiales fueron depositados por antiguos ambientes fluviales que erosionaban sierras circundantes, hoy desaparecidas bajo los sedimentos del valle del Guadalentín. La Rambla de Librilla, en su curso bajo ha destapado un poco de la historia geológica de esta formación:

• Se pueden ver antiguos cauces fluviales hoy representados por acumulaciones de conglomerados y brechas, son estructuras sedimentarias que se denominan paleoncales y que es muy común que resalten en el relieve por su mayor resistencia a la erosión.

• Gran cantidad de depósitos arcillosos o arenosos rojos que se depositaron en  llanuras de inundación, a veces con nódulos de color claro originados por procesos oxidación-reducción.

• Es común que aparezcan intercalados estratos blanquecinos formados por calizas con morfologías columnares por haberse depositado la cal alrededor de vegetales en posición de vida. Estas rocas se formaron en una zona deprimida en aquellos ambientes fluviales, donde el agua estancada originó lagunas poco profundas con gran exuberancia de vegetación.

• Aquí la exuberancia de vegetación y agua hizo que la zona fuese frecuentada por fauna que han dado lugar a yacimientos de fósiles de vertebrados.

5. En el Pleistoceno, y previo al inicio de la erosión de la cuenca, gran parte de estas rocas fueron cubiertas por depósitos fluviales de color rojo, a veces con costras calizas, que corresponden a las partes distales de los glacis de las Sierras de Espuña y la Muela.

6. la erosión-sedimentación del Cuaternario superior, el Holoceno, originó un nuevo depósito de rocas de origen torrencial que forman terrazas en las ramblas de Librilla y Algeciras y que conectan morfológicamente con el glacis holoceno desarrollado en la depresión del Guadalentín.