Kotelnijøya består av sedimentære bergarter og sediment fra tidlig paleozoikum til sen kenozoikum. De eldste bergartene er bergarter med forsteininger, kalkstein og dolomitt fra ordovicium til tidlig devonsk tid. Fra nyere devonisk tid fram til karbonsk tid finnes det bergrgarter med innlagret kalkstein, dolomitt, sandstein og konglomerat over det sedimentære laget. Laget fra permtiden og juratiden består av innlagret leirstein, siltstein og sandstein. Alle disse sedimentære bergartene er forkastet og foldet i komplekse antiklinaler og synklinaler, med innslag av tynne ganger av grønnstein. Sedimenter fra kvartærtiden til holocen som er fra 1 500 til mer enn 55 000 radiokarbonår gamle ligger under elveterrasser i elvedalene til Balyktakh og Dragotsennaja. Tykk permafrost har utviklet seg i disse avleiringene.