Z geologického hľadiska je oblasť Chvojnickej pahorkatiny priraďovaná k '''[[neogén]]nym sedimentárnym panvám''' [[Vnútorné Západné Karpaty|Vnútorným Západným Karpatom]]. Juhozápadná časť je budovaná málo spevnenými až sypkými morskými neogénnymi [[sediment]]mi, hlavne ílmi, slieňmi, siltmi, [[Piesok|pieskami]], [[Pieskovec|pieskovcami]] a [[štrk]]ami obdobia vrchného [[miocén]]u až [[pliocén]]u. Juhovýchodnú a centrálnu časť budujú ílovce, siltovce, piesky, pieskovce, štrky, zlepence, ojedinele vápence spodného miocénu. Západná a sčasti aj centrálna časť je budovaná ílmi, ílovcami, siltovcami, pieskami, pieskovcami a zlepencami obdobia stredného [[miocén]]u. V tejto časti sa pridávajú [[Vápenec|vápence]], sloje [[Uhlie|uhlia]] a ryolitové tufy. Najsevernejšia časť je budovaná flyšovými vrstvami pieskovcov, [[Zlepenec|zlepencov]] a ílovcov obdobia [[paleogén]]u až spodného [[eocén]]u. Najsevernejšia časť zároveň prináleží k '''magurskému flyšu''' vonkajšieho flyšového pásma. Stredom územia prechádza niekoľko zlomových línií, pričom najvýznamnejšia prebieha v smere západ - východ.
