上田盆地
河川敷と両側にある岩体(山)の標高差は、約 100mで、左岸側の崖の上は別所層に貫入してきた石英角閃石ひん岩で構成されている。頂上部は平坦でかつての千曲川によって堆積した河床礫を見ることが出来る。右岸側は内村累層の緑色凝灰岩で構成されている。右岸と左岸は全く異なる地質で、千曲川断層と呼ばれる断層の存在が示唆されている。坂城町にかけての左岸側は千曲川に沿って急峻な斜面が直線状に続いている。
新生代の第四紀には上田盆地は湖の底であった。この湖成層は形成された時代により、古期上小湖成層と新期上小湖成層に区分される。古期上小湖成層は上田盆地の周辺部のやや高い部分に分布し、新期上小湖成層は盆地中央部の低地や塩田平の川沿いなどで露出している。新期上小湖成層は、2万8000年前という値が得られ、塩田平の地層からナウマンゾウの化石が出土した。