木林子自然保护区区内地壳经内外营力作用，露出地表的岩层，纯系沉积岩类及少量由沉积岩变质而成的变质岩，岩浆岩多为侵入体，为数很少。早在元生界沉积时期，区内所处地壳属于古地中海组成部分，地史上各大造山运动的影响，均有不同程度的波及，到三叠纪中世期末，各系地层出路完整，海陆变迁，沧海桑田，历时13.9亿年左右，后经燕山造山运动抬升为黔东褶皱带组成部分，就再未被海侵过。
（1）寒武系。寒武系在保护区仅出露中、上统，未见下统。1）中统孔王溪组：上部灰黑色中层状白云岩，局部夹有硅质灰岩互层；下部深灰-灰色中厚层白云岩，局部夹薄层含泥白云岩。厚500~520m。2）上统耗子沱群：厚层结晶白云岩夹白云质灰岩及灰岩。厚500~540m。
（2）奥陶系。1）下统南津关组：白云质灰岩、灰岩、白云岩，底部夹生物碎屑岩及页岩。厚73-126m。2）下统分乡组：厚层灰岩夹生物碎屑灰岩及页岩。厚23~47m。3）下统红花园组：灰色中至厚层灰岩、含燧石结核灰岩。厚74~79m。4）下统大湾组：灰绿色、紫红色瘤状灰岩、瘤状泥灰岩与页岩互层。厚73~126m。5）中统牯牛潭组：灰绿色、紫红色瘤状灰岩、瘤状泥灰岩。厚32~44m。6）中统宝塔组：灰色或肉红色中厚层龟裂纹灰岩。厚73~126m。7）上统临湘组：瘤状泥质灰岩，上部为泥灰岩夹页岩。厚10~17m。8）上统五峰组：浅紫灰色页岩夹灰色含硅质炭质页岩。厚4~12m。
（3）志留系。1）下统龙马溪组：上部灰绿、黄绿色砂质页岩，泥质粉砂岩。下部为黑色炭质页岩、泥质粉砂岩。有时为白色水云母粘土岩，具滑感，吸水性强。厚400~593m。2）下统龙罗惹坪群：黄绿色页岩夹砂岩，中部夹泥灰岩及灰岩。厚200~608m。3）中统纱帽群：上部灰绿、灰黄色长石石英细砂岩、下部为灰黄、灰绿色石英细砂岩、粉砂岩、夹粉砂质粘土岩、页岩。厚512~800m。
（4）泥盆系。该系在区内发育不全，下统缺失，仅有中、上统出露。1）中统云台观组：灰白色、浅黄色厚层石英砂岩，顶、底部夹紫红色含铁粉砂质泥质岩和页岩，具水平纹理，交错层理及大型斜层理。底部见含砾石英状石英砂岩。厚0~12m。2）上统黄家磴组：黄绿及紫红色页岩，底部夹细砂岩，上部偶夹赤铁矿层。厚0~53m。3）上统写经寺组：含泥质白云质条纹灰岩，泥灰岩夹含钙质页岩。厚0~47m。
（5）石炭系。该系在区内发育不全，仅有中统出露。1）中统黄龙群：灰紫色、浅灰色块状灰岩，下部为块状白云岩。厚0~59m。
（6）二叠系。1）下统栖霞组：下部为深灰、灰黑色中厚层－厚层微晶生物屑灰岩，含燧石结核屑灰岩，夹钙质泥岩，碳质泥岩；中部深灰色微晶灰岩，微晶生物屑灰岩，上部为深灰色中厚层微晶生物屑灰岩。厚127~174m。2）下统茅口组：①下段灰岩段，下部深灰色－灰黑色厚层瘤状，含生物屑亮晶－微晶灰岩，含泥质微晶生物屑灰岩，上部深灰色厚－巨厚层微晶生物屑灰岩，含燧石结核及硅质条带，厚约80~150m。②上段硅质岩段（旧称孤峰组），黑色硅质岩，含碳硅质泥岩，钙质泥岩，夹灰岩扁豆体，厚约6~100m。3）上统吴家坪组：中厚层含燧石结核灰岩，底部为炭质页岩夹煤层。厚21~71m。4）上统大隆组：黑色薄层硅质岩，含碳硅质泥岩、钙质泥岩，夹黑色灰岩透镜体，厚约17~67m。
（7）三叠系。1）下统大冶组：浅灰色薄层微晶灰岩，夹中厚层微晶灰岩；下部夹黄绿色页岩；底部为黄绿色页岩夹泥岩，顶部为深灰色中厚层－厚层微晶灰岩，夹砂屑灰岩。厚348~1009m。2）下统嘉陵江组：下部白云质灰岩、灰岩，夹角砾状及鲕状灰岩、白云岩；中部为深灰色厚层灰岩及白云质灰岩；上部为中至厚层状灰岩、白云岩，夹角砾状灰岩及鲕状灰岩。厚808~875m。3）中统嘉巴东组：下部红、绿色页岩、粉、细砂岩、底为钙质页岩及白云质灰岩；中部为薄层、中厚层泥灰岩夹灰岩、白云岩及钙质页岩；上部为红色夹绿色砂岩、页岩，夹泥灰岩及白云岩。厚1200~1300m。
（8）第四系。全新统：包括冲积层、洪积层及河漫滩阶地。砂砾堆积，分布于河流两岸。残坡积层，分布于河流两岸山坡。
地质构造
（1）构造分布特征。木林子自然保护区位于新华夏系第三隆起带内，即华夏系湘黔边境隆褶带的北端。由于受长阳东西向构造带的影响，构造线方向呈现往东偏转，同时在总体构造组合形态上带有扭动的迹象，这种构造的特点表现为一系列北东向褶皱和压扭性断裂，构造类型以断褶构造和华夏式褶皱为主。
（2）褶皱。保护区内主要褶皱为鹤峰复向斜，该复向斜自鹤峰附近分为两支：北支为鹤峰——和尚坪向斜，南支为鹤峰——五里坪向斜，其间为麻泥山背斜。
构造历史分析
本区自雪峰运动进入稳定的地台以来，地壳发展处于较稳定的时期，地壳运动和缓，以振荡运动为主要特色，各时代地层之间，整合或假整合接触。早古生代末期加里东运动影响，出现沉积间断，并形成与江南地轴大致平行的东山峰背斜的雏形，由于受到准阳山字型构造影响，秦岭东西向构造干扰，使之与石门－临湘东西向构造带联合。巴东期后，由于印支运动影响，区内应力场发生转化，主压力为南北挤压，出现近东西向的壶瓶山向斜。燕山及喜马拉雅山运动阶段，前期褶皱更进一步强化成型，新华夏、华夏构造体系有所增强。
此外，从溶洞层的分布，出现在海拔1200m的水平溶洞，以及海拔1800m的垂直岩溶，以及新生代形成夷平面上升到海拔1300m以上高度，均反映晚新生代以来区域地壳发展以垂直正向活动为主并加剧地貌反差，使山体频频上升，其上升量超越1000m，有可能发育牛池、木林子和云蒙山等高峰。断块抬升，对牛池、木林子和云蒙山隆起也有一定影响。
地壳运动与地质发展史
木林子自然保护区位于扬子地台的二级构造单元鄂黔台褶带内。保护区内分布有从震旦系到三叠系的地层，在河谷、山麓等低洼处，局部分布有第四系的沉积物。保护区的地质发展史显然与鄂黔台褶带是基本一致的，只是有些小异而已，可分3个发展阶段。
（1）地槽发展阶段。晚元古代早期（距今约8亿年以前），保护区其附近地区处于地槽发展阶段。这些地区被海水淹没，沉积了一套泥沙碎屑沉积物，后经成岩变质而成为以灰绿色、紫红色板岩为主，夹变质砂岩，间有凝灰质砂岩的一套地层。
（2）地台发展阶段。自震旦系至中三叠系本区处于相对稳定的地台发展阶段。
（3）地洼发展阶段。晚三叠系以来，扬子地台东受太平洋板块活动的影响，西受特提斯海板块的干扰，在印支期、燕山期和喜马拉雅山期发生了强烈的构造活动。既形成了系列的断陷盆地，如郯庐断裂以东的怀宁、宁芜、溧阳等断陷盆地，又有大规模的岩浆喷发和侵入，如浙西的安山岩、流纹岩喷发，江南古陆上的花岗岩侵入等。而在保护区内，则表现为在燕山期和喜马拉雅山期，地层发生强烈褶皱，形成了一些背斜、向斜和断层，如鹤峰复向斜等。同时地壳也在相对间歇性地不断抬升，保护区缺失从侏罗系到第三系的地层，且由于差异升降的结果，流水强烈下切。在河沟、山谷、山麓等低洼处，沉积了第四系冰川相、河湖相、冲积相的砾石层、砂层、粘土层等。
地貌形成及特征
木林子自然保护区海拔幅度为600~2098.1m，群峰起伏，层峦叠嶂，所有山地均属云贵高原武陵山脉北支脉尾部地带。地势由西北和东南向中间逐渐倾斜。海拔1500m以上的山峰多达20余座，其中牛池主峰海拔2098.1m，云蒙山主峰2054.5m，木林子主峰1989.9m，在这些主峰附近区域高程多在1500m以上，在百鸟坪——罗龙大包一线，高程在1300m以下。因此，保护区内山峰林立，坡陡谷深，形成许多峭壁悬崖，高山有埫、坪，河谷有陡坡，间有石柱。剑峰矗峙，翠谷清溪，银滩碧流，石灰岩构成众多溶洞，洞中多潜流潴渊四伏，或外泻成涧泉或悬岭为飞瀑。
新构造运动与地貌发育
保护区内新构造运动较为强烈，其中主要表现为地壳的大幅度抬升，同时因抬升幅度的差异，还产生了一些由地块之间的断裂、错位所反映出来的活动断层。因山体抬升至今尚未止息，故以幼年期地貌最为普遍，主要表现为或由多级夷平形成高山陡岭，或由河流下切形成幽深峡谷，或由差异性抬升而派生出断层。
