El Parc Natural està situat al vessant sud dels Pirineus orientals, i engloba les capçaleres dels rius Ter, Freser, i el nord de les valls del Ritort i del Rigard, dins de l'anomenat Pirineu axial.
El Pirineu és una serralada formada durant l'orogènia alpina, que va començar durant el cretaci (finals del mesozoic) fa més de 80 milions d'anys.
El xoc de les plaques tectòniques Ibèrica i Eurasiàtica va provocar l'aixecament i l'apilament de les roques que estaven entremig de les dues plaques.
Les roques de les Capçaleres del Ter i del Freser són majoritàriament roques metamòrfiques (fil·lites i gneis hercinians), i gresos amb intercalacions carbonatades (marbres).
Els gneis (orto-gneis) de Núria-Carançà-Canigó constitueixen l'aflorament més important d'aquest material en terres catalanes, conformant l'anomenat Dom del Freser.
Es tracta d'un petit plutó granític de l'Ordovicià metamorfitzat, amb una aurèola de gneis de Carançà.
La seva duresa i resistència a l'erosió provoca les gorges del Núria i del Freser, les parets de roques de Tot lo Món i que les cubetes de sobre excavació de Núria i Coma de Vaca es formin on són.
Entre aquestes roques, els gneis del Freser i de Queralbs són les més antigues que afloren al Pirineu, amb registres radiomètrics que superen els 540 milions d'anys d'antiguitat.
És al seu damunt on se situen els nivells de gresos i lutites, amb nombroses intercalacions carbonàtiques i volcàniques.
A la part alta de la capçalera del riu Ter, destaca la presència abundant de grans filons de quars, d'origen hidrotermal, que travessen el relleu formant vetes, sobretot entremig d'esquistos i gneis.
La seva duresa i un color blanc brillant fan que destaquin clarament en el paisatge.
Alguns cims com el Roca Colom, el Puig de la Llosa o el Gra de Fajol Gran estan constituïts per filons de quars, així com les conegudes esquerdes de Rotjà, al vessant nord, i els sortints rocallosos al circ de Morens.
La presència de roques carbonatades es redueix a algunes capes de marbres que poden estar carstificats, com els de la coma de l'Embut i el pic de la Vaca.
També cal destacar la riquesa mineralògica del Parc Natural, provocada sobretot per la presència de nivells de pegmatites, filons, com el de Dòrria, amb indicis d'or nadiu, i skarns, com el del Costabona, que s'havia explotat comercialment per extreure wolframi.
El relleu actual és el resultat de l'erosió produïda per la xarxa hídrica després de les diverses glaciacions que ha patit la zona durant l'era quaternària.
Sobretot per la darrera, la glaciació de Würm, que va començar fa uns 110.000 anys, va arribar al punt culminant fa uns 20.000 anys, i es va acabar de cop fa uns 10.000 anys, en l'inici del període Holocè.
La forta baixada de les temperatures arreu del planeta va provocar que el gel s'estengués per bona part del Pirineu i el seu entorn.
Per damunt dels 2.000 m d'altura tota la superfície estava coberta per plataformes de gel i circs glaciars, d'on en sortien llengües de glaç que fluïen per les valls i podien arribar a tenir longituds de 10 km i fins a 500 m de gruix.
Circs i glaceres van modelar el relleu de la serralada formant cubetes, valls en forma de U i zones amb grans acumulacions de sediments transportats pel gel, que ara trobem en forma de sediments periglacials a l'alta vall del Ter i a la vall de Núria.
La situació del Parc Natural ofereix molt bons exemples d'aquesta morfologia glacial: la coma de l'Orri, la coma de l'Embut, la coma d'Eina, la coma de Vaca, la coma del Freser, totes formades per circs glacials o zona d'acumulació de neu ubicats a les capçaleres (circ de Concròs, circ d'Ulldeter, o el circ de l'Embut, el més alt de tots), i de valls glacials en forma de U que segueixen a continuació.
La coma del Freser, juntament amb la coma de Vaca, formaven la glacera més llarga de la zona, de més de 7 km de recorregut.
Algunes d'aquestes geleres van arribar a tenir més de 500 m de gruix, i hi ha evidències geomorfològiques que podem observar directament en algunes valls.
Actualment no existeixen glaceres a l'interior del Parc Natural, ni a la resta del Pirineu oriental, però el modelatge de la zona continua gràcies a la dinàmica periglacial, que consisteix en fenòmens de solifluxió i gelifluxió, és a dir, pel moviment lent i per gravetat de masses de terrenys reblanides per l'aigua o ajudades pel desglaç.
Després de la desaparició de les geleres, els rius i torrents han excavat les valls creant profunds engorjats, com les gorges del Freser i les gorges de Núria.
A les gorges del Freser, el riu solca els massissos de Balandrau i Torreneules des de la Coma del Freser fins a l'aiguabarreig amb el riu Núria, amb un desnivell que sobrepassa els 1000 m.
Les gorges de Núria no són tan profundes però són més estretes.
El riu Núria s'encaixona al llarg d'uns tres quilòmetres fins que s'ajunta amb el Freser.
I és en la confluència d'ambdós rius on es troben les espectaculars Roques Tot-lo-Món, agresta muralla rocallosa de 700 m d'alçada que cau a plom formant un dels contraforts del Torreneules.
L'activitat càrstica, en canvi, és molt residual degut a la poca presència de roques carbonatades al Parc Natural.
En els marbres hi destaquen les dolines de la Serra de la Vaca i el desguàs del llac superior de Carançà.
També trobem algunes petites cavitats com la Cova de les Encantades, sota el Puigmal (Queralbs), i el Forat de l'Embut, a Núria (Queralbs), a les quals es poden afegir: les coves del Penitent, la cova de les Roques del Quatrecorns, la cova de la Font Seca, l'avenc del Bugader, la cova de Sant Pau, les coves de Catau de l'Ós, la mina Saragossa i la cova de Cal Pitu-Pitu.