— L’anticlinal du Petit Luberon affecte les séries calcaires du Crétacé inférieur, sa mise en place illustre une 1^ère phase de tectonique (phase pyrénéo-provençale). Une 2^ème phase tectonique est marquée par la faille de chevauchement qui s’étend sur une dizaine de kilomètres au sud du Petit Luberon (phase alpine). À l’entrée des gorges, le contact des calcaires urgoniens (Crétacé inférieur) sur les formations de l’Éocène est masqué par le cône d’éboulis. Le contact avec les calcaires lacustres blancs éocènes est visible plus à l’ouest et à l’est. Un couvert forestier dense colonise ces formations sédimentaires meubles (marnes argileuses, sables rougeâtres et calcaires lacustres) accumulées dans les dépressions séparant les premiers chaînons provençaux.

Les reliefs provençaux soumis à l’érosion sont affectés de surfaces d’érosion bien reconnaissables dans le paysage : elles forment des plans calcaires polis caractéristiques.

— L’ouverture de la Méditerranée occidentale a eu pour conséquence plusieurs transgressions pendant le Miocène : ici la surface d’érosion est affectée par le retour de la mer au Langhien-Serravallien. La paléo-ligne de rivage est marquée par des perforations de lithophages et des dépôts de sables et argiles aux Mayorques et à la Font de l’Orme.

— Le Régalon, affluent de la Durance, a creusé son étroite gorge pendant le Messinien. La fermeture du détroit de Gibraltar a provoqué un abaissement spectaculaire (-1500 m) et rapide du niveau (15 000 ans) de l’ensemble de la mer Méditerranée. Cet épisode messinien  (-5,8 Ma) a affecté tout le réseau hydrographique du pourtour méditerranéen. Contraints de rétablir leur profil d’équilibre les fleuves et leurs affluents ont surcreusé les reliefs engendrant les remarquables canyons et gorges du Sud-Est de la France.
À partir de 5,3 millions d’années, (au Pliocène), la ré-ouverture du détroit de Gibraltar a provoqué la remise en eau de la Méditerranée. Avec la remontée du niveau marin, la mer a envahi le canyon de la Durance (ria durancienne) et de ses affluents, dont le Régalon ce qui entraîne leur comblement. Les témoins de cette transgression sont les argiles bleus et sables de la région de Mérindol ainsi que les rares couches de sables marins déposées dans les deux grandes anfractuosités situées à 600 mètres de l’entrée des gorges et conservées à l’abri de l’érosion.
Dès le Pliocène, le Luberon formait une puissante barre calcaire chevauchant vers le Sud des terrains datés de l’Éocène et du Miocène (voir par exemple l’affleurement de la Déboulière) ceci confère au massif une histoire provençale ultérieurement marquée par le plissement alpin.

— Le forage Luberon 1 (Lu1) effectué dans le petit Luberon (prospection pétrolière) a traversé plusieurs fois les séries valanginiennes et hauteriviennes jusqu'à la cote d’arrêt (2 6 8 4 m) ainsi que plusieurs failles inverses (la plus importante à la cote 1948 m) : ceci révèle un empilement d’écailles (Crétacé inférieur) déversées vers le sud et la complexité des structures profondes du chevauchement du Petit Luberon.