Geologia Tereny Zarzecza położone są w niecce górnośląskiej, a obszar ten ma budowę zrębową. Na przełomie dewonu i karbonu zostało zaburzone paleozoiczne podłoże Wyżyny Śląskiej poprzez utworzenie zapadliska, które w okresie karbonu zostało wypełnione przez zlepieńce, piaskowce i łupki ilaste zawierające pokłady węgla kamiennego. Utwory z tego okresu pod osadami czwartorzędowymi występują prawie na całym obszarem dzielnicy (prócz terenów na północ od Bagnika, gdzie występują utwory mioceńskie; są one rozdzielone uskokiem). Powierzchniowo zaś występują one wzdłuż wyżej położonych terenów Garbu Mikołowskiego ciągnącego się na granicy Zarzecza i Mikołowa. Są to wychodnie warstw orzeskich (westfal B). Jest to potężna seria zbudowana przeważnie z łupków z wkładkami piaskowców, syderytów i przeszło 50 pokładami węgla kamiennego.
W okresie trzeciorzędu utworzyły się główne rysy rzeźby terenu Zarzecza. Wówczas to dochodziło intensywnych procesów wietrzenia chemicznego i denudacji