Wiek najstarszych skał półwyspu sięga przynajmniej kambru. We wschodniej Ziemi Grahama i północno-zachodniej Ziemi Palmera odkryto ortognejsy (ok. 450–550 Ma), a we wschodniej części Ziemi Palmera paragnejsy (późny kambr), które stanowią podstawę dla granitu i granodiorytu z triasu. Platforma paleozoiczna lokalnie została poddana procesom metamorficznym, a w okresie karbonu i permu powstały migmatyty i granity. W środkowej części Ziemi Palmera odkryto kwarcyty kratoniczne oraz osadowe skały kwarcytowe z fauną glossopterisową.
Mezozoiczny łuk magmowy tworzą batolit (ang. Antarctic Peninsula Batholit) o długości 1350 km i szerokości do 210 km, zbudowany ze skał plutonicznych (240–10 Ma) i wcinający się w leżące pod nim gnejsy, oraz skały wulkaniczne (ang. Antarctic Peninsula Volcanic Group) – bazalty, andezyty, dacyty i ryolity.
We wschodniej części półwyspu znajdują się bogate w skamieniałości pokłady skał osadowych z okresu jury i kredy. Wyspa Seymour Island nazywana jest „kamieniem z Rosetty” antarktycznej paleontologii z uwagi na bogactwo występujących tu skamieniałości bezkręgowców i kręgowców. Liczne skamieniałe szczątki znajdują się w warstwach formacji La Meseta z okresu późnego i środkowego eocenu, występują tu m.in.