Беласица е стар планински масив, образуван по време на нагъванията през палеозоя. Съвременните форми на планината са резултат главно на терциерните и кватернерни движения, които са обхванали денудираната и разседната старонагъната област.

Издигането на планината се е съпровождало с потъване на съседните полета. Движенията по разседите се подновяват много по-интензивно преди около 1 милион години (между плиоцена и четвъртичния период) и продължават непрекъснато и до днес, като спомагат за насипването на грамадни наносни конуси от двете страни на Беласица. Запазени остатъци от младомиоценска денудационна заравненост има по високите билни части на планината (с надморска височина 1700-1800 м). Интензивните ерозионни процеси по северния склон на Беласица са главната причина за натрупването на голямо количество наносен материал в подножието й и оформянето на обширни наносни конуси. Специфичният хидро-термичен режим тук е причината да се срещат множество видове орхидеи и това да е единственото находище на царската папрат в България.

Най-старите скали са гнайсите – метаморфни скали от групата на кристалинните шисти с архаична възраст. Съставени са от биотитови, инжекционни, очни и двуслюдени гнайси, на места примесени с малко амфиболити и мрамори и свързани с различни преходи. Повърхностният слой е силно изтънял, поради което се денудират лесно. На изолирани места се срещат серпентини. В Беласица има находище от сулфидни руди – халкопирит, пирит и др.

Кватернерните речни наслаги представляват ивица с различна ширина край р.Струма и р.Струмешница лежат върху млади терциерни седиментни скали. Общият им профил е изграден от разнообразни чакъли и пясъци с различна мощност, редуващи се с глинести прослойки.