Rein geotektonisch gesehen handelt es sich beim Thüringer Wald um ein Bruchschollengebirge, das hier sogar als Horstschollengebirge ausgebildet ist. Letzteres bedeutet, daß das Stück Erdkruste, welches vor Jahrmillionen von irgendwelchen Erdkräften aus seinem Umfeld gehebelt wurde, nicht schief, sondern gerade und gleichmäßig emporgepreßt worden ist.
Immer wieder wird die Frage gestellt, wie hoch der Thüringer Wald vor Jahrmillionen tatsächlich angehoben wurde und ob er einst höher war als heute. Dazu weiß die Wissenschaft heute: 1.800 bis 2.300 Meter beträgt die Lagedifferenz gewisser Gesteinsschichten des Thüringer Waldes gegenüber denselben des Vorlands. Diese Höhenunterschiede wurden jedoch nicht allein durch Hebungsaktivitäten des Gebirges, sondern auch durch Senkungserscheinungen (zum Beispiel des Thüringer Beckens) bewirkt.
Daß der Thüringer Wald heute nur noch knapp 1.000 Meter hoch ist und das Vorland nur um 400 bis 700 Meter überragt, liegt an der Erosion, die mit dem Einsetzen der Gebirgshebung begann und die bis 1.000 Meter dicke Schicht der jüngeren Deckgesteine über den heute freigelegten uralten Gesteinen der Thüringer-Wald-Berge abgetragen hat.
Letztere sind im Gebiet meist Überreste des einst über fast ganz Mitteleuropa ausgedehnten variszischen Grundgebirges und des nachvariszischen Vulkanismus aus den Zeiten des Rotliegenden – lange vor der Thüringer-Wald-Hebung. Vor allem die widerspenstigen Ergußgesteine (z. B. Porphyre und Melaphyre) trotzen bis heute der Erosion und lassen hoffen, daß uns die anheimelnd wildromantische Berglandschaft noch einige tausend Jahre erhalten bleibt.
Der gemeinhin als härtester aller Gesteine angesehene Granit des Urgebirges konnte sich im Gebiet nicht ausreichend den abtragenden Naturgewalten widersetzen, und so zeigt sich heute das Granitgebiet zwischen Suhl und Zella-Mehlis als relativ ebener, von Flüssen und Bächen ausgeräumter Talkessel – umrahmt von den Bergketten aus den härteren Vulkaniten des Rotliegenden.
Die Rotfärbung verdanken die Porphyre, Melaphyre, Porphyrite, Porphyrtuffe, Sandsteine, Konglomerate, Tonschiefer und sonstigen Gesteine des Rotliegenden dem Eisenoxyd Fe2O3. Mancherorts, vornehmlich in der Randspalte des Thüringer Waldes und in vielen der durch die Gebirgsbildung entstandenen Spalten und Klüfte hat sich diese Verbindung konzentriert abgesetzt, unter anderem als blutrote Lehmfüllungen oder "Lettenlagen" (Roteisenrahm), als feste graumetallisch glitzernde Massen (Eisenglanz) oder als kugelige, faserig-kristalline Gebilde (Roter Glaskopf). Schon vor Jahrtausenden von Kelten entdeckt bildeten diese Eisenerze für viele Jahrhunderte die wirtschaftliche Basis für Entstehung und Entwicklung diverser Orte im Mittleren Thüringer Wald, wie Suhl, Zella-Mehlis, Steinbach-Hallenberg, Vesser, Schmiedefeld.
Neben Roteisenerzen, die allesamt unter dem Begriff Hämatit (von Blut: Häma) geführt werden, sind vor allem Quarze in unzähligen Ausführungen fast allerorts anzutreffen. "Edle" Bergkristalle finden sich selten, dafür um so häufiger milchige, zerfressene Quarzbrocken, vor allem auf den Eisenerzbergbauhalden rund um Suhl.
Besonders formenreich sind die Quarzfüllungen der berühmten Schneekopfkugeln vom gleichnamigen Berg. Seit Jahrhunderten haben unzählige Touristen tonnenweise Schneekopfkugeln weggeschleppt, so daß sich dem heutigen Sammler an den an Goldgräberstätten im fernen Kanada erinnernden einschlägigen Fundplätzen meist nur noch kleinkalibrige Steinhüllen wenig ansehnlichen Inhalts im hundertfach durchwühlten Waldboden erschließen.
Für Kenner, die dazu noch mit Steinsäge, Schleif- und Poliermaschine ausgestattet sind, mögen die im Suhler Raum vorkommenden Jaspise von Interesse sein. Dabei handelt es sich ebenfalls um Quarzvarietäten, die allerdings weder durchsichtig noch durchscheinend sind. Gesägt, geschliffen und poliert zeigen diese im Gelände eher unscheinbaren Steine ihre wahre Pracht und sehen dann für den Laien zum Beispiel wie apfelgrüner Marmor mit roten Schlieren und Sprenkeln aus. Im 18. Jahrhundert wurden solche Steine (allerdings nicht die aus Suhl) mit Vorliebe zu Schnupftabakdosen und anderen Schmuckgegenständen verarbeitet.
Auch Kupfervererzungen sind im Suhler Raum jahrhundertelang vehement und bergbaulich verfolgt worden. So zum Beispiel im Granit im Rimbachtal. Oder im Zechstein zwischen Albrechts und Benshausen. Richtig einträglich gestaltete sich der Kupferbergbau allerdings nur im Tal des Goldlauter-Baches, in dem jedoch niemals Gold gefunden wurde (man sagt, der Begriff "Gold" komme von einem keltischen Wort für Quellbach). Neben Kupfererzen und Unmengen von Arsenkies sind auch einige Gramm Silber gefunden worden, was wohl unseren Dichterfürsten und Geheimrat Johann Wolfgang von Goethe schwer beeindruckte. Er stattete den Goldlauterern höchstselbst einen Besuch ab, um sich ein ungetrübtes Bild vom Untertagetreiben des Bergvölkchens zu machen.
Nicht unerwähnt bleiben sollen noch diverse Späte, die neben den Roteisenerzen und Quarzen einige Gebirgsspalten ausfüllen. Recht häufig findet sich Schwerspat (Baryt), den man zu Beginn dieses Jahrhunderts in Suhl bergbaulich förderte (zum Beispiel um ihn danach fein zermahlen dem Mehl beizusieben. Das Mehl wurde dann schön schwer, was manchen Handelsleuten für Betrügereien natürlich von Nutzen war). Neben Baryt gibt es noch Flußspat (Flourit) und Kalkspat (Calzit) und noch ganz andere Späte. Flußspat, vor allem wenn er gemeinsam mit dem Eisenerz abgebaut werden konnte, ergab einen "vorzüglichen Zuschlag im herrschaftlichen Hochofen, mit dem die Erze nicht so strenge im Feuer gingen". Daher der Name "Fluß"-Spat: vom besseren "Fließen" des Eisens. Ähnliche Eigenschaften werden auch dem Kalkspat zugesprochen. Über einen spatschüssigen Eisenstein war früher jeder Hochofenbetreiber recht erfreut.
Schöne reine Kalkspäte, aus glasklaren, großen Kristallen findet man noch heute als Stufen (so werden herausgebrochene Spaltenfüllungen genannt) in und vor einer winzigen Höhle am Dölmerlein zwischen Albrechts und Benshausen.
Zu den Gesteinen des Rotliegenden sei noch eins bemerkt: Nicht alle sind rot (oder rötlich). Es gibt auch graue, gelbliche und grünliche Porphyre, Melaphyre und Tuffe. Gewisse Schiefer, auch die kupferkieshaltigen von Goldlauter bzw. vom Blauen Stein am Großen Finsterberg, sind von schiefergrauer oder schwarzer Farbe mit gelegentlichen Abdrücken von Fischen und urzeitlichen Gewächsen.
Mit geologischer Schlichtheit besticht das dem Thüringer Wald vorgelagerte Buntsandsteinbergland. Der zur fränkischen Triaslandschaft gehörige hiesige Buntsandstein ist meist von gelblicher, weißlicher oder rötlicher Farbgebung. In ihn eingelagert sind gelegentlich Tonlinsen und schwarze Flecke, in denen auch in geringer Konzentration Uranverbindungen und andere strahlende Sachen enthalten sind. Die SDAG Wismut versuchte diese nach dem Krieg für russische Atombomben und -kraftwerke nutzbar zu machen und betrieb Anfang der fünfziger Jahre ein paar Versuchsbergwerke am Friedberg und am Ruhschlagberg zwischen Suhl und Hirschbach, die immerhin insgesamt 180 Tonnen Uran erbracht haben sollen.
Das Buntsandsteinland wurde im Erdzeitalter Tertiär von einem Lavaschlot durchbohrt und damit nicht nur der nordöstlichste Vorstoß der Rhön, sondern auch die Suhler Steinsburg geschaffen, die als dicker Basaltfelsblock jahrhundertelang das Stadtbild Suhls mitprägte. Im vorigen Jahrhundert wurde sie schließlich von eifrigen Straßenbauern zu Schotter zerklopft und abtransportiert. Übrig ist heute ein kraterartiges Loch im noch Steinsburg genannten Sandsteinhügel.
Eine andere Merkwürdigkeit ist der Kleine Thüringer Wald, ein dem "großen" geologisch verwandter Höhenzug zwischen Bischofrod, Gethles, Ahlstädt und Neuhof. Hier finden sich neben Zechstein, Granit und rotliegenden Ergußgesteinen ebenso Eisenerz- und Spatgänge, die den Ahlstädtern und Gethlesern in der Vergangenheit ein Zubrot zur Landwirtschaft einbrachten. Erkundungen in den sechziger Jahren erbrachten den Befund, daß über eine Million Tonnen Spat im Kleinen Thüringer Wald noch ihrem hoffentlich nie stattfindenden Abbau harren.
Heutzutage neigen vor allem die Suhler dazu, das Buntsandsteinbergland zwischen Suhl und Schleusingen (den Donnersberg-Schneeberg-Höhenzug oder das Südthüriger Buntsandsteinbergland) fälschlicherweise als Kleinen Thüringer Wald auszuweisen – in Unkenntnis der geologischen Zusammenhänge. Dies kann mitunter zu Verwirrungen führen, insbesondere dann, wenn Ortsunkundige bei Einheimischen ihre topographischen Kenntnisse aufbessern wollen.
Etwa an der Linie Dolmar (auch ein Basalt-Bruder der Rhönberge) – Ziegelhütte (Dillstädt) – Schmeheim – Kleiner Thüringer Wald endet das Buntsandsteinland kurz vor dem Marisfelder Grabenbruch, ein im Zuge der Thüringer-Wald-Hebung abgesenkter geologischer Störungsbereich. Es folgen Muschelkalk und ein wenig Keupermergel, danach hauptsächlich die für das Grabfeld und die Werra-Main-Landschaft typischen Muschelkalkberge, die den Schichten des oberen Buntsandsteins aufsitzen.
Der Kalkstein neigt allgemein zur Verkarstung, und folglich finden sich im Gebiet zahlreiche Höhlen, Dolinen und bizarre Felsgebilde, wie die Wichtelsteine zwischen Dillstädt und Wichtshausen. Eine Besucherhöhle gibt es im Gebiet leider nicht, es sei aber Interessierten angeraten, eine Taschenlampe mit auf Tour zu nehmen, denn das eine oder andere Loch lädt Wagemutige zur Erforschung ein – auf eigene Gefahr, versteht sich.