Dãy núi Kavkaz hình thành khoảng 28,49-23,8 triệu năm trước do kết quả của va chạm mảng kiến tạo giữa mảng Ả Rập di chuyển về phía bắc với mảng Á-Âu. Hệ thống núi Kavkaz là sự nối dài của Himalaya, hệ thống núi là kết quả va chạm tương tự của mảng Ấn Độ với mảng Á-Âu. Toàn bộ khu vực này thường xuyên chịu các trận động đất mạnh từ hoạt động kiến tạo này, đặc biệt là cấu trúc phay địa chất rất phức tạp với các khối Anatolia/Thổ Nhĩ Kỳ và Iran trượt ở hai bên. Cấu trúc phức tạp này khiến rìa mảng địa chất không chìm xuống nữa, dẫn tới việc các núi lửa ít xuất hiện trên dãy Đại Kavkaz (mặc dù vẫn tồn tại các núi lửa tầng như Elbrus, Kazbek và một số đỉnh). Ngược lại, dãy Tiểu Kavkaz lại chủ yếu có nguồn gốc núi lửa. Cao nguyên núi lửa Javakheti tại Gruzia và các rặng núi lửa xung quanh trải dài tới miền trung Armenia là các khu vực địa chất không ổn định nhất và trẻ bậc nhất của khu vực này.

Khu vực này có nhiều trầm tích đá như granit, đá gơnai, trầm tích dầu mỏ (trữ lượng ước tính tới 200 tỷ thùng) và nhiều trầm tích hơi đốt.