В сложном современном геологическом строении Донецкого бассейна, которое является результатом многовековой истории геологического развития, принимают участие очень разнообразные по своему возрасту отложения, от самых древних — докембрийских, возраст которых исчисляется миллиардами лет, до самых молодых — антропогеновых, современных.
Наиболее древние породы — докембрийские (гнейсы, кристаллические сланцы и др.) — развиты в Приазовском кристаллическом массиве, где они нередко обнажаются, выходя на дневную поверхность. В остальных частях Донбасса и Приазовья они залегают на значительных глубинах.
Особенно широко представлены в Донецком бассейне каменноугольные отложения (известняки, песчаники, сланцы, угли и др.), мощность которых достигает нескольких тысяч метров. Пермские отложения, состоящие главным образом из аргиллитов, алевролитов, песчаников, доломитов, каменной соли, гипса, ангидрита и доломитизированных известняков, в северо-западной части бассейна выполняют обширные Кальмиус-Торецкую и Бахмутскую котловины. Здесь же встречаются и естественные выходы (обнажения) юрских пород — озерных глин, известняков, песчаников, конгломератов. Меловые отложения: писчий мел, мергели, пески и глины — распространены на западных и северных окраинах Донбасса.
Кроме вышеупомянутых отложений, а также развитых пород палеогенового и неогенового возраста на территории Донбасса распространены и молодые образования (аллювиальные, делювиальные, элювиальные), относящиеся к антропогеновому времени: лессовидные, песчано-глинистые и другие породы.
В пределах Донбасса и сопредельных с ним территорий, в границах Ворошиловградской и Донецкой областей УССР, основными геоструктурными районами являются: южные склоны Воронежского кристаллического массива, Донецкое складчатое сооружение (Донецкий кряж), юго-восточная оконечность Днепровско-Донецкой впадины, Приазовский кристаллический массив (юго-восточная часть Украинского кристаллического массива) и Причерноморская впадина.
Южные склоны Воронежского кристаллического массива. Их кристаллический фундамент, в пределах северной (Задонецкой) части Ворошиловградской области, находится на значительной глубине (500—2000 метров).
Территория геоструктурного района сложена породами каменноугольного, мелового, палеогенового и антропогенового возраста. Отложения карбона залегают почти горизонтально или под небольшим наклоном в южном направлении. Здесь они прикрыты мощной толщей меловых пород, на которых сплошным покровом (за исключением речных долин и оврагов, где часто на поверхность выступает мел) залегают палеогеновые отложения.
Для антропогеновых отложений наиболее характерными являются лессовидные суглинки, аллювиальные, делювиальные и озерные отложения, а также эоловые пески. Лессовидные отложения распространены почти везде, за исключением пойменных и песчаных террас. Прекрасные обнажения их можно наблюдать на правых склонах речных долин и в действующих оврагах. Аллювиальные и озерные отложения занимают днища долин и балок, а делювиальные — склоны последних. Эоловые пески покрывают боровые террасы, реже пойменные и более древние террасы Северского Донца, Айдара и других рек.
Донецкое складчатое сооружение (Донецкий кряж) представляет собой остаток древней горной складчатой страны, образовавшейся во время герцинского орогенеза и осложненной разрывными нарушениями — сбросами и надвигами, а также складчатоглыбовидными движениями мелового, палеогенового и неогенового периодов. Геотектонические процессы сопровождались проявлениями вулканизма, что привело к образованию в мощной осадочной толще разнообразных жильных пород.
На окраинах складчатого сооружения происходит постепенное угасание складкообразований (в северной его части лежит пояс мелкой складчатости) и постепенное погружение складчатых сооружений под более молодые отложения. В геологическом строении принимают участие отложения докембрийского, палеозойского (девон, карбон, пермь), мезозойского (триас, юра, мел) и кайнозойского (палеоген, неоген, антропоген) возраста.
Общая мощность отложений карбона, образовавшихся в геосинклинальных условиях, в центральной осевой части Донецкого бассейна достигает 18 километров. Они представлены песчаниками, сланцами, известняками, углями (общее количество пластов и прослоев свыше 300). Эти горные породы часто выступают сплошными полями на дневную поверхность, слагая останцевые формы рельефа. Отложения каменноугольного возраста на периферических частях бассейна покрыты палеогеном и неогеном, а в северо-западной части их кровлю образуют отложения перми, триаса и юры.
Антропогеновый покров отличается сложным строением. Наиболее широко распространены хрящевые суглинистые и глинистые элювиально-делювиальные образования, лессы и лессовидные суглинки, песчано-глинистый аллювий.
Приазовский кристаллический массив составляет юго-восточную часть Украинского кристаллического щита, чем и определяются особенности его геологического строения. Здесь широко представлены гнейсы, граниты, сиениты, кристаллические сланцы, мариуполиты и др. Кристаллический фундамент нередко обнажается не только по речным долинам, но и на водоразделах. Там, где древние кристаллические породы не выходят на дневную поверхность, они покрыты антропогеновыми отложениями (лессами, лессовидными суглинками).
Причерноморская впадина в пределах описываемой территории с севера ограничена складчатыми сооружениями Донецкого кряжа и Приазовским кристаллическим массивом, с юга — побережьем Азовского моря. В ее строении принимают участие неогеновые ракушечные известняки с прослоями глин, прикрытых антропогеновыми морскими отложениями. Северо-восточная часть впадины сложена древними кристаллическими породами и поверхностным покровом из лессов, лессовидных суглинков антропогенового возраста. Самые южные обнажения Приазовского кристаллического массива встречаются вблизи города Жданова.