Геологический разрез горных пород в районе Столбов представлен осадочными и вулканическими толщами, имеющими возраст от кембрия (около 570 млн. лет) до каменноугольного периода. Они прорваны многочисленными интрузиями и покрыты рыхлыми мезозойскими и кайнозойскими осадками.

Докембрийские образования представлены базальтами, порфиритами, известняками, разнообразными сланцами и песчаниками мощностью более 6 км.

В течение кембрийского периода накапливались известняковые и доломитовые осадки с остатками водорослей и древнейших простейших организмов, свидетелей мелководного морского режима. Эти породы обнажены в береговых обрывах р. Базаихи. К концу силурийского периода началось горообразование. Горная страна Палеосаян постепенно была разрушена. Бурная вулканическая деятельность начала девона сопровождалась внедрением интрузий кислого и щелочного состава, в том числе и кварцевых сиенитов Столбовского массива. По новейшим данным он имеет среднедевонский возраст.

После затухания вулканической деятельности продолжалось разрушение горной страны и накопление красноцветных толщ с преобладанием песчаников, конгломератов и алевролитов. Постепенно, к концу каменноугольного периода, горная страна была пенепленезирована. С этого времени в районе Столбов господствует континентальный режим. В юрском периоде в этих условиях образовались угленосные формации, в том числе – Канско-Ачинский буроугольный бассейн. В районе нацпарка бурые угли сохранились в единичных тектонических блоках.

В течение кайнозойского периода, вплоть до современной эпохи, продолжается новейшее поднятие и расчленение территории (Козлов, 1958). Начало поднятия оценивается цифрой порядка 30-35 млн. лет. В течение этого этапа древняя пенепленезированная поверхность, поднятая в районе заповедника до отметок 700-900 м н. у. м., была значительно расчленена правыми притоками Енисея (Мана, Базаиха, Б.Слизнева и др.). Поднятие носило прерывистый характер, что подтверждается хорошо выраженными террасами Енисея.

Наиболее устойчивые к выветриванию горные породы - граниты и кварцевые сиениты - постепенно образовали господствующие высоты национального парка: Кайдынский хребет, гора Абатак, Столбинское нагорье. В пределах последнего единый массив был расчленен на ряд останцов выветривания – причудливых скал-столбов, представляющих собой отдельные, наиболее прочные интрузивные тела.