临沭县地层以基底变质岩为主，只有中生代的断陷盆地内有中生代地层。除第四系沿沂沭河流域大面积覆盖外，主要分布为元古界胶南群大山沟、甄家沟和邱官庄3个地层组，其次为中生界白垩系青山组和王氏组。
太古界泰山群 县内分布甚少，仅沭河西侧沂沭断裂带内部呈北－北东向之长条状零星出露。以斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩为主。
元古界胶南群 县内分布极广，大部出露。主要在沂沭断裂带以东的山岭缓丘中，面积可占全县总面积的60%左右。按岩性组合主要分为3个组。
大山沟组 分布于县境北部，临沭－蛟龙盆地以北－陡沟、李界前、苍山一带。岩性有黑云斜长片麻岩、斜长角闪岩、白云二长片麻岩、各种变粒岩、浅粒岩和白云石英片麻岩等。
甄家沟组 分布于县境南部的临沭－蛟龙盆地以南。岩性为黑云斜长片麻岩、白云二长片麻岩和二长片麻岩等。
邱官庄组 仅在县境北部边缘靠沂沭断裂带有零星分布。岩性为黑云变粒岩夹浅粒岩、浅粒岩及白云钾长片麻岩夹大理岩透闪岩等。
中生界 侏罗系上统莱阳组 区内较少，主要分布在沭河两侧的沂沭断裂带内，由于多为第四系覆盖，出露不完整。岩性仅见以黄绿色页岩为主，中夹薄层泥灰岩、紫红色页岩、黄绿色砂岩。
白垩系下统青山组 主要分布在县境西部沂沭断裂带及中部临沭－蛟龙盆地南部。主要岩性为一套陆相基性－酸性火山岩、凝灰岩和火山碎屑岩等。
白垩系上统王氏组 主要分布在沂沭断裂带和临沭－蛟龙盆地中部及北部。岩性主要为紫红色砂砾岩、砂岩和页岩，有时夹少量杂色页岩等。
第四系 境内除局部地段如山间谷地、近山麓带表层分布有胶结砾岩外，均为松散沉积物。主要分布在沭河、苍源河、石门河的两岸，山前平原及山间谷地一带。
冲积层 岩性上部为亚砂土；局部地区为细砂、中细砂；下部多为中粗砂夹砾石，局部为中粗砂及细砂。主要分布在沭河东岸白旄、青云等乡镇。
洪积、冲积层 上部为亚砂土及亚黏土夹碎石，局部地区底部为中细砂及细砂；其余底部均为基岩。主要分布在苍源河中下游两岸，穆疃河两岸及小湾子河下游两岸，镇武河、石门河两岸及店头镇西部、大兴镇南部。
冲积、河湖相沉积层 上部为黄色亚黏土、亚砂土以及黑色黏土，大部分地区中下部为钙质结核及中粗砂夹砾石，局部地区无砂层。主要分布在青云镇至店头镇西部牛腿沟两岸和曹庄镇西部、西北部。
残积、坡积层 岩性为亚黏土及亚黏土夹碎石，局部地区为亚砂土。主要分布在平原地带边缘的低丘坡地。