L’Alta Valsessera si colloca in un’area geologicamente complessa, per la presenza dell’importante faglia detta Linea insubrica (o Linea del Canavese) che la attraversa diagonalmente dal Bocchetto Sessera al Bocchetto della Boscarola e che rappresenta il punto di contatto tra le due placche continentali. A Sud-Est di tale faglia si trovano rocce molto antiche di tipo magmatico intrusivo a composizione basica, mentre a Nord-Ovest predominano le rocce metamorfiche scistose. All’interno di questi sistemi rocciosi si sono inseriti più tardi corpi magmatici che hanno dato origine alle rocce sienitiche del plutone della Valle del Cervo e a quelle vulcaniche che affiorano lungo la faglia.
Più recentemente la storia geologica della valle è stata segnata dalla presenza dei ghiacciai, che ne hanno occupato la parte più alta, e dai corsi d’acqua, il Sessera e i suoi affluenti, che hanno inciso profondamente il tratto inferiore.