Prehistorické pohoří

Žďárské vrchy jsou součástí Českého masivu, který vznikl již v prvohorách hercynským neboli variským vrásněním. Jedná se tedy o velmi staré území, které bylo vlivem dlouhodobé eroze zbroušeno do podoby mírně vlnité krajiny s občasnými pozůstatky skalních útvarů. Ráz oblasti byl v dobách ledových formován mrazovým zvětráváním skalních masivů, při němž byly rozpadlé bloky hornin pomalu unášeny tzv. kongeliflukcí (střídavé rozmrzání a zamrzání půdy) po svazích a hromaděny v podobě hlinitokamenitých usazenin nebo kamenných moří. Když se oteplilo, byly vytvořeny nivy v údolích řek a vznikly rašeliništní komplexy (např. oblast Velkého Dářka).

Převaha „recyklovaných“ hornin

Co se týče horninového složení, převažují na území CHKO přeměněné pararuly a ortoruly. Pararuly vznikají přeměnou usazených hornin buď písčitého, nebo jílovitého původu, zatímco ortoruly pocházejí z vyvřelých hornin a amfibolitů. Díky vlivu tlaku je pro ruly typická rovinná stavba, způsobující mimo jiné deskovitou odlučnost vrstev a někdy i ohyby ve tvaru vrás.

Nejrozsáhlejší centrální a severovýchodní část Žďárských vrchů zaujímá svratecké krystalinikum. Zde převažují ortoruly, jež se střídají s vrstvami svorů a svorových rul (svory vznikly přeměnou slídy a křemene). Středem krystalinika probíhají pruhy výrazně hrubozrnných, tzv. „okatých“ ortorul, vystupujících ve skalních výchozech např. na Zkamenělém zámku a Štarkově. Rulové horniny jsou často prorostlé úzkými pruhy amfibolitů a křemičitanů souvisejících s ložisky železných rud dobývaných již od středověku v okolí Kadova, Odrance i jinde.Malínská skála

Povrch skalních stěn bývá často pokryt drobnými vroubenými tvary, mezi které řadíme voštiny (např. Devět skal, Tisůvka), skalní výklenky (Lisovská skála) a pseudoškrapy (Milovské Perničky). Ojediněle jsou zastoupeny i puklinové jeskyně (Štarkov, Malinská skála, Zkamenělý zámek) a skalní tunely (Pasecká skála, Dráteničky). Procesem zvětrávání vznikly na temenech skal vzácné skalní mísy, místně nazývané Perničky. Jsou vytvořeny např. na Čtyřech palicích, Milovských a Rybenských Perničkách.

Jihozápad území náleží ke strážeckému moldanubiku. Nejčastější horninou jsou zde pararuly, ve kterých se místy vyskytují čočkovitá tělesa krystalických vápenců (okolí Žďáru nad Sázavou a Studnic) a serpentinitů neboli hadců (Tři Studně, Sklené, Ransko). Tyto horniny díky svému odlišnému složení oproti vesměs kyselým rulám významně ovlivňují místní vegetaci – pro zkušené oko jsou tato místa dobře rozpoznatelná, díky výskytu typických druhů rostlin vázaných na tato specifická podloží.

Horninově nejpestřejší je severozápadní oblast CHKO. Zde Žďárské vrchy sousedí s masivem Železných hor a zasahuje sem těleso vyvřelého původu, tzv. železnohorský pluton, tvořený především typicky načervenalými žulami a porfyry. Oba celky jsou od sebe odděleny nápadnou sníženinou tzv. hlineckou zónou, kde převládají fylity, což jsou přeměněné břidlice. Podél železnohorského zlomu zasahuje až k Velkému Dářku od severozápadu výběžek tvořený sedimenty České křídové tabule, jež tvoří souvrství vápenitých pískovců, jílovců a slínovců. V místech křížení zlomů na západním okraji oblasti vznikl ranský masiv s hlubinnými vyvřelinami svrchního zemského pláště – čedičů a dioritů. Sulfidické zrudnění vedlo místní obyvatele Ranska k těžbě rud s obsahem mědi a zinku – dle historických údajů se jim říkalo kys měděný a blejno zinkové.

Minerály – skrytá nestárnoucí krása

I přes poměrně chudé horninové složení je území CHKO bohaté na nálezy zajímavých minerálů. U Žďáru nad Sázavou jsou například k nalezení různě zbarvené typy opálů od neprůhledných mléčně bílých až po žlutohnědé až hnědé, někdy bíle skvrnité. Dále se zde nacházejí ametysty, které zde tvoří volné často oboustranně ukončené křemenné krystaly o průměrné velikosti 2 – 3 cm. Zdejší ametysty jsou průhledné, mají fialové jádro, které bez ostré hranice přechází v okrajovou zónu tvořenou čirým křišťálem.

Krystaly minerálů jsou nejčastěji vázány na horniny zvané pegmatity, které jsou v CHKO poměrně hojně rozšířené (tvoří několikacentimetrové až mnohametrové čočky), proto jsou Žďárské vrchy opravdovým rájem pro milovníky minerálů. Je zde k nalezení celá řada atraktivních minerálů, jako jsou záhnědy, turmalíny, křišťály a další.

Za zmínku také stojí místní specialita, zelené horniny s olivíny tvořící několik těles uzavřených v olivínických gabrech ranského masivu. Ve stěnových lůmcích nebo na přirozených výchozech se  nalézají temně zelené peridotity. Troktolity skvrnitého vzhledu – pstruhovce – se dají najít na přirozených výchozech v údolí Doubravy.

Rašelina

Hloubka rašelinných vrstev dosahuje na nejrozsáhlejším rašeliništi Českomoravské vrchoviny, v lokalitě Padrtiny u Velkého Dářka, až 10 m.