九頭竜川流域の地質は、油坂峠から西方に箱ヶ瀬〜伊勢峠〜巣原峠〜美濃俣〜月ヶ瀬〜板垣峠〜武生を経て、日本海岸の高佐に至るほぼ東西に連ねた線を境にして、北側と南側とでは地質的に大きな相違がみられる。すなわち、南側には主として二畳・石炭紀に属する非変成岩古生層（丹波層群）が分布しているのに対して、北側には飛騨変麻岩を基盤として、そのうえにジュラ紀〜白亜紀に属する中生代の手取層群、足羽層群が広く被覆している。大野・勝山盆地の西縁部を南北に通る線の東側地域には主として中生代、西側地域には主として新生代が分布する。
　九頭竜川流域には、日本列島に露出する岩石のうち最古のものである飛騨変麻岩が大野市真名峡、和泉村谷戸口、勝山市北西部などに断片的に現れている。
　九頭竜川流域に広く分布する古生層は、大部分が石炭紀ないしは二畳紀に属しているが、デボン紀の地層が和泉村上伊勢などに狭いながら分布している。これらの地層は主として砂岩・粘板岩・チャート、輝緑凝灰岩から成り、一部に石灰岩をともなっている。
　大野市南部の本戸累層は、当時の縮小した水域の存在を示すものとみられる。中生代ジュラ紀中期に入り、飛騨帯の内陸性の湖盆が形成され、やがて石川県の南部にかけて水域が拡大するとともに湖沼化した。この時期の地層がジュラ紀〜白亜紀に属する手取層群である。この地層は古生層、飛騨変麻岩からなる基盤の起伏を埋めたてながら累積し、白亜紀後期にいたり陸化した。この時期に大規模な火山活動が各地で起こり、溶結凝灰岩によって特徴づけられる面谷流紋岩類は武生市鬼ヶ岳、日野山、和泉村の県境付近にかなり分布している。
　新第三紀の早期には広範な火山活動が始まり、その活動が越前中・西部にみられた。勝山〜大野盆地以西の地域には、糸生累層と称されている火山岩累層が厚く発達し、一般に変質を受けて著しく緑色を呈するのが特徴である。この火山性岩石は、グリーンタフ（緑色凝灰岩）と総称されている。越前中央山地、丹生山地に分布する新第三紀層からもこのグリーンタフがみられることから、当時この地も変動の一舞台であったことを窺い知ることができる。
　また、初期中新世に属し、グリーンタフの発達する糸生累層の上位に重なる国見累層は、丹生山地の北部に分布し、そこには内湾あるいは沿岸に住む暖海性の貝化石を含む地層が堆積している。
　やがて浸食時代に入り、越前東部から岐阜県にかけて比較的新しい時期の火山活動が広範囲にわたって起こってくる。この時期の火山噴出物を一括して鮮新世火山岩類と呼ぶが、これが大野市打波川流域などに分布している。
　大野盆地、福井平野、武生盆地など、九頭竜川流域内における主要な平野ないし盆地は、ほぼ洪積世中期初め頃に、殆ど時期を同じくして陥没発生したと考えられている。
　広い面積を有する福井平野は、洪積世中期以降、現在までに扇状地形成と湖沼形成を繰り返したとみられ、洪積世後期には完全に埋立てられて、標高30〜40ｍの海岸段丘を形成した。加越台地はその時の堆積面をほぼ示しており、これと一連の海岸段丘は丹生海岸に沿って発達している。この台地を構成する芦原累層の最上部は古砂丘砂層によって特徴づけられる。この古砂丘は、日本海に発達するもののうちで最大規模を示すものといえる。
　最近の１万年間にあたる沖積世に堆積した沖積層は、九頭竜川流域の各地の沖積低地を形成している。特に、福井平野では平均30ｍの厚さを成しており、沖積層の基底には埋没された谷地形がみられる。縄文海進により次第に埋積され福井平野北部は、沖積氾濫原性の地層により構成されている。
　九頭竜川本川に沿う勝山〜松岡の両岸には、礫層を主とする河岸段丘が断続的に分布している。この段丘堆積物は、その段丘面とともに松岡付近から福井平野に没し、沖積層に連続する礫層に連続する。
　九頭竜川本川筋の地質は、下流では三里浜と九頭竜川に挟まれた低地の表層が柔らかい泥質ないしシルト質の沼沢地性の堆積物で構成されている。新第三紀の基岩および洪積層が地表近くまで浅く突出しているものの50ｍ以上あり、上流に行くに従い急激に沖積層は浅くなり、河口から25km付近では10ｍ程度となっている。沖積層の土層構成は､中位付近に約７〜８ｍ程度の粘土層を砂層により上下を挟むよう帯状に分布している。
　一方、日野川筋においては九頭竜川本川と同程度の厚さの沖積層があると考えられるが、下流部では粘土層が地表部に位置しており、古くからの低湿地帯であったことを窺い知ることができる。
　図1.2.16に九頭竜川流域の地質図を示す。また、図1.2.17に地質時代区分を示す。