Au sens purement géologique les Pyrénées s'étendent au nord sur le bassin aquitain, au sud jusqu'au bassin de l'Èbre et à l'ouest jusqu'aux sierras de la cordillère cantabrique. Les Pyrénées sont une montagne jeune dont les plus hauts sommets sont composés de roches très anciennes. La chaîne est l'héritière d'un passé géologique qui a vu successivement une première montagne puis une mer. Les fossiles trouvés dans les dépôts de sédiments confirment qu'avant la montagne, la mer était là !
Si les Pyrénées sont une montagne jeune — datant d'environ 40 millions d'années — née de la collision de deux plaques terrestres, l'espagnole et l'européenne, elles sont tout de même le résultat de 500 millions d'années de façonnage des paysages.
 
Le massif est composé de roches très  anciennes formées par la transformation des dépôts de sédiments pendant des centaines de millions d'années.
 
 
L'étude de ces roches permet de mieux connaître les évolutions climatiques, ainsi notamment les faciès calcaires laissent penser que ces roches se sont formées dans une ambiance tropicale.
 
En altitude ce sont surtout les roches anciennes qui prédominent.
 
À l'ouest, on trouve beaucoup de couches calcaires, ce qui explique les nombreuses grottes et réseaux karstiques, tandis que  la partie orientale est surtout constituée par du granite et du gneiss.
 
 

Au cœur de la chaîne, on trouve surtout des roches comme le granite ou le gneiss.

 

L'érosion glaciaire, assez récente (1 million d'années), a façonné les reliefs actuels, créer les larges vallées nord-sud caractéristiques de la chaîne, les cirques et les très nombreux lacs pour la plupart d'ailleurs d'origine glaciaire.
 
C'est également l'érosion qui a dissout les calcaires et commence à creuser les paysages de profonds fossés et qui est à la l'origine, par exemple, des célèbres orgues ou « cheminées de fées » d'Ille-sur-Têt, résultat de l'érosion de roches sédimentaires vieilles de quatre millions d'années.