Le formazioni geologiche si osservano meglio lungo i versanti dei rilievi. Il corpo della collina di Poggio Imperiale è costituito interamente da sabbie cementate, comunemente detto “tufo”. Si tratta dei prodotti di una fase di sedimentazione avvenuta nel mare pliocenico.

Lungo le scarpate del paesaggio sono esposte localmente, all’interno di questa roccia, croste calcaree cementate.

Al di fuori della collina, la sabbia poggia talvolta su argille plioceniche.

Sopra il tufo si trova il cosiddetto “conglomerato di Poggibonsi”, di origine fluviale. Si tratta di sabbie e ghiaie del Quaternario, localmente cementate.

La presenza o meno del conglomerato determina la ripidità dei versanti ed il conseguente rischio di frane.

In cima al colle della Fortezza si trova il travertino “antico”, il relitto di un ambiente lacustre-paludoso qui esistente alla fine del Pleistocene.

La formazione è composta da travertino variabilmente consistente, da sabbia calcarea e da argilla. Il travertino antico, come anche tutte le formazioni precedenti, ha subito un notevole sollevamento, come dimostra l’attuale dislivello con la valle dello Staggia.