Le caratteristiche idrogeologiche del Parco sono strettamente legate alla sua posizione intermedia tra l'Appennino e la zona di alta pianura, fascia caratterizzata dalla presenza di sedimenti ghiaiosi e sabbiosi della conoide alluvionale depositati dal torrente durante il periodo dell'Olocene (il cui inizio è datato a 10.000 anni fa). La conoide è, inoltre, caratterizzata da vaste aree terrazzate, la cui origine è da ricondursi all'intensa erosione operata dalle acque del torrente all'interno dei propri depositi.
L'attuale assetto geomorfologico del corso d'acqua è dovuto alle escavazioni di ghiaia, avvenute negli anni '50-'60 per l'avvio della costruzione dell'Autostrada del Sole. Gli scavi operati furono troppo pesanti per un torrente con un bacino idrografico così modesto e con scarse capacità di ripristinare naturalmente il materiale litoide asportato. Infatti, il materasso ghiaioso fu talmente impoverito da scomparire e la sottostante argilla, meno resistente, fu facilmente sottoposta all'azione erosiva delle acque.Gli effetti di questa erosione si manifestarono dapprima nella zona di Laurano, per poi propagarsi verso monte secondo un processo di erosione "regressiva"; l'incisione operata dal corso d'acqua è stata tale da conferire al torrente l'aspetto di un piccolo canyon nel tratto compreso tra le località di San Nicomede e Laurano.
Questi processi, di per sè molto negativi in quanto segno di un grave dissesto e di degrado, hanno tuttavia portato a un evento inaspettato di positiva valenza ambientale: l'affioramento della successione stratigrafica marina dello Stirone.
Lungo il versante sinistro del torrente Stirone, tra le località Trabucchi e San Genesio, affiorano i calanchi, morfologie caratteristiche delle formazioni argillose, costituiti da sedimenti di mare profondo depositatisi sui fondali dell'antico oceano Tetideo (grande bacino marino che durante l'era secondaria separava l'area compresa tra le due masse continentali dell'Eurasia e dell'Africa) in un'area prossima all'attuale mar Ligure.
I calanchi si presentano come un complesso intreccio di solchi (impluvi) divisi tra loro da ripidi versanti spesso denudati e soggetti a erosione accelerata da parte degli agenti meteorici. La loro morfologia è determinata da due fattori principali: la natura argillosa del substrato e l'azione esercitata dall'acqua meteorica su tale tipo di suolo.
Si tratta di un'ofiolite, testimonianza delle più remote vicende geologiche che portarono alla formazione dell'Appennino; rappresenta, infatti, i resti di materiali rocciosi che nel Giurassico (periodo dell'era secondaria compreso tra 195 e 135 milioni di anni fa) formavano i fondali dell'antico oceano Tetideo.
Nelle colline piacentine le rocce più antiche affiorano poco più a sud delle stazioni del Parco; si tratta in gran parte di argille, e in misura minore di calcari e arenarie, intensamente deformate per aver partecipato alle lunghe vicende che hanno portato alla formazione della catena appenninica. Queste rocce sono dette Liguridi perché la loro sedimentazione avvenne sui fondali di un antico oceano (l'Oceano Ligure) che nel lontano Mesozoico, tra Giurassico e Cretacico, si estendeva in zone che corrispondono all'odierna Liguria.
Dopo la chiusura dell'oceano la sedimentazione proseguì per molti milioni di anni nelle aree appenniniche, ricoprendo le rocce più antiche che formavano il nucleo dell'edificio montuoso in via di sollevamento.
Gli affioramenti di quest'area raccontano una parte molto recente di questa storia, quella accaduta durante il Pliocene (tra 5,3 e 1,8 milioni di anni fa). L'invasione del mare su terre precedentemente emerse, siglò l'inizio di quest'epoca, a seguito della quale un profondo golfo marino si stabilì nell'area dell'odierna pianura padana, e la sua la linea di costa disegnava ai piedi dell'Appennino numerose insenature. All'inizio del Pliocene il clima piuttosto caldo favorì la vita di specie marine di ambiente subtropicale, tra cui numerosi molluschi tipici di ambienti più caldi dell'attuale Mediterraneo, i cui resti sono rimasti tra le rocce come preziosa testimonianza fossile.
Nel corso del Pliocene si registrò un abbassamento del livello marino, che portò fondali relativamente profondi, su cui si sedimentavano argille, a divenire spiagge; le conseguenze di questo progressivo aumento verso l'alto della frazione sabbiosa, sono ben visibili nell'affioramento di Monte Giogo, dove è possibile osservare il passaggio tra le argille marnose grigio-azzurre e gli strati più sabbiosi di colore giallo aranciato.
In alcuni affioramenti della riserva, nella parte superiore degli strati sabbiosi si riconoscono spesse banconate di colore giallo arancio, costituite da un tritume conchigliare grossolano e ben cementato che prende il nome di Calcarenite (o meglio biocalcarenite, a sottolineare l'origine biologica dei granuli). In particolare, lungo il fianco sinistro dell'Arda, tra Lugagnano e Castell'Arquato, si notano tre di questi banconi; il terzo si può seguire da Monte Padova sino a Castell'Arquato, dove forma il saldo poggio su cui é sorto il borgo medievale.
