L’itinéraire proposé traverse des terrains d’âges différents :

— Le Crétacé inférieur est représenté par des calcaires blancs à faciès typiquement provençaux :
• L’Hauterivien (n3) affleure largement au-dessus des gorges de Régalon sous forme de calcaires en gros bancs réguliers. La puissance de ces calcaires blanchâtres à bleuâtres est estimée à 600 m
• Le Barrémien (nU) est représenté par des calcaires massifs, très épais à faciès Urgonien dans lesquels est creusé le canyon de Régalon. Des silex sombres peuvent être observés dans ces calcaires.

— Le Paléocène n’est représenté au sud du Petit Luberon que par des affleurements datés de l’Éocène inférieur à moyen (e1-5) qui consistent en des marnes argileuses, sables rougeâtres et calcaires lacustres très déformés. Ce sont les témoins de dépôts lacustres accumulés depuis la région d’Aix-en-Provence jusqu’aux Monts de Vaucluse, dans les dépressions postérieures à la mise en place des premiers chaînons provençaux.
— Le Néogène a livré deux niveaux sédimentaires séparés par une intense période d’érosion.
• Le Miocène affleure en altitude à la ferme des Mayorques et à la Font de l’Orme. Il est formé de marnes sableuses jaunâtres et localement de biocalcarénite. Ces dépôts transgressifs permettent de reconstituer une des lignes de rivage de la mer au Langhien-Serravalien (m2a = Helvétien sur carte à 1/50 000). En effet ces dépôts miocènes marins reposent sur une surface calcaire (Hauterivien) très plane et polie avec des perforations dues à des lithophages qui marquent une ancienne ligne de rivage. Cette surface d’érosion ante-miocène, orientée est-ouest peut se suivre sur plusieurs centaines de mètres, elle montre que les reliefs provençaux étaient déjà aplanis avant les transgressions miocènes. Les perforations de gros diamètre et de petit diamètre creusées par les lithophages sont à attribuer à deux espèces différentes. Certaines renferment des sables argileux jaunâtres, d’autres sont plus ou moins colmatées par des concrétions ferrugineuses. De telles surfaces d’érosion sont bien connues dans d’autres chaînons provençaux.
Le Messinien est marqué par la régression qui affecte l’ensemble de la mer Méditerranée. Ceci a engendré le surcreusement du lit des fleuves dont la Durance et ses affluents :  le canyon de Régalon est l’empreinte laissée dans le paysage par cette période d’intense érosion.

• Le Pliocène : l’envahissement de la ria durancienne au Pliocène a permis le dépôt de marnes gris-bleu et de niveaux sableux entre Mérindol (à l’est) et le Logis-Neuf (à l’ouest). D’autres témoins ont été conservés à l’abri de l’érosion dans les grottes de la gorge de Régalon : ce sont des sables de couleur beige. Ces dépôts détritiques appartiennent à un des sites paléontologiques majeurs de la Réserve Naturelle Géologique du Luberon, ils ont livré des fossiles marins traduisant des milieux de différentes profondeurs.
— Le Quaternaire est bien représenté par un puissant cône de déjection (Fz) au débouché de la gorge de Régalon et consiste en une accumulation détritique (argiles grises et blocs calcaires anguleux). Les crues saisonnières torrentielles déblayent une partie de ces dépôts (nappes de cailloutis orientés) et creusent des lits étroits pavés de graviers et de galets. Le fond du lit de ces cours d’eau temporaires sert de sentier d’accès aux gorges.  Des blocs calcaires plurimétriques écroulés récemment dans les gorges reflètent l’érosion actuelle du massif.