— Paléogéographie
Au Trias supérieur, cette région correspond à une vaste plateforme en bordure de la Pangée fortement érodée, elle est soumise à un climat chaud. Il s’agit d’une aire de sédimentation subsidente occupée par une tranche d’eau peu profonde, le climat et le contexte géodynamique sont propices à l’accumulation de dépôts évaporitiques (sel et gypse). La puissance des dépôts d’évaporites accumulés dans ce milieu lagunaire lors du Trias est estimée à plusieurs centaines de mètres. Seul le gypse et l’anhydrite ont été conservés, le sel a été, depuis, lessivé.

Au cours du Mésozoïque (Jurassique puis Crétacé), suite à la fracturation de la Pangée et à la formation de l’océan alpin, une sédimentation de calcaires et marno-calcaires fait suite aux couches évaporitiques du Trias.

À l’Oligocène un régime lacustre s’installe comme en Limagne, Alsace, Bresse, bassin d’Alès. Au Miocène, suite à la dérive du bloc corso-sarde et à la formation du petit océan liguro-provençal, la région est affectée par une succession de transgressions et régressions marines comme en témoigne la présence de biocalcarénite ou pierre du midi (du Miocène). Cette roche, encore très exploitée de nos jours, a été extraite dans de nombreuses carrières dans la vallée du Rhône. Plus récemment, les dernières glaciations du Quaternaire, ont façonné le paysage avec des dépôts glaciaires qui constituent des cônes d’accumulation sédimentaire par endroit, notamment dans le secteur de Gigondas.

— Tectonique

Géologiquement, le petit massif est situé à l’aplomb de la faille de Nîmes qui est une faille majeure héritée du cycle varisque. Elle fonctionne en décrochement sénestre et sépare le bloc provençal du massif Central et des Alpes. Son prolongement vers Mollans et Buis-les-Baronnies, permet le chevauchement du mont Ventoux et son écaille, la montagne de Bluye.

Les trois lames calcaires bien individualisées qui forment les dentelles de Montmirail correspondent à la succession de trois demi-synclinaux délimités chacun par une faille. La quasi-même structure peut être observée dans chacun des trois synclinaux : couches calcaires redressées du Jurassique supérieur (Tithonien) formant le flanc des plissements et au cœur, couches Crétacé (Berriasien, Valanginien et Hauterivien) en forme d'auge. La verticalisation des couches calcaires est corrélée à la mise en place du diapir de Suzette. Les couches de calcaires du Tithonien sont éventrées, soulevées, verticalisées, une partie flotte encore sur le sommet du diapir (La Roque-Alric)

— Histoire géologique

Le Trias formé de gypse et de cargneules repose en discordance (carte géologique) sur l’Oxfordien , l’Oligocène et le Miocène. Les roches sont fortement déformées. La forme sub-circulaire du massif suggère une mise en place déformante diapirique. C’est au cours de la phase pyrénéo-provençale que ce diapir s’est mis en place. Un premier épisode de remontée pourrait avoir eu lieu à l'Éocène (environ - 40 Ma). C'est à cette période que se structurent la plupart des chaînons montagneux en Provence. Le diapir est ensuite érodé puisque l’Oligocène repose en discordance sur une surface d’érosion visible sur la route avant d’arriver au col de la Chaîne. Ce diapir a été réactivé à la fin de l'Oligocène ou vers la fin du Miocène. En effet, les couches oligocènes riches en fentes de dessiccation sont renversées au sud de la dentelle de Montmirail, et les couches du Burdigalien sont bien redressées à Notre-Dame d’Aubune. C'est l’activation de la faille de Nîmes qui a contrôlé la mise en place du diapir de Suzette, encore appelé « diapir de Suzette-Gigondas ». D’autres diapirs sont connus dans le Sud-Est de la France (diapir avorté de Courthézon, diapir de Propriac, diapir d’Upaix et  diapir du Laus dans les Hautes-Alpes).

Un diapir est une remontée de roches solides sous forme d'un “panache”, cette remontée se fait généralement à la faveur d’une faille. Les évaporites (anhydrite, gypse, sel) peu denses (masse volumique de 2000 kg/m³) et peu visqueuses (1017 à 1019 Pa.s) sont ductiles à faible profondeur. La remontée au niveau de la zone faillée s’explique par la surcharge exercée par la pile sédimentaire sus-jacente sur des roches de faible densité. La poussée ascendante est accentuée par l’hydratation de l’anhydrite en gypse. Ces structures sont assez classiques de la tectonique extensive en domaine évaporitique même si certaines structures appelées aussi diapirs peuvent se former en contexte compressif.