Desde el punto de vista geológico esta zona presenta tres zonas claramente diferenciadas que el río Ara  atraviesa perpendicularmente (de norte a sur) aprovechando el surco abierto por una antigua lengua glaciar.

Así, al norte, encontramos el valle de Bujaruelo, tallado con materiales del denominado «Pirineo Axial», rocas paleozoicas (esquisitos, pizarras, calizas cristalinas, mármoles…) y granitos del primitivo Macizo Herciniano, formado hace unos 230 millones de años y que aflora en este sector dando lugar a altos y encrestados picos, como el Vignemale (3.303 m.).

Adosadas al sur de esta Zona Axial aparecen las «Sierras interiores», compuestas de calizas y areniscas cretáceas y paleocenas que comenzaron a levantarse hará unos 65 millones de años por el choque de las placas ibérica y eurosiberiana (Orogénesis Alpina), alzándoe desde el fonodo del viejo «Mar Pirenaico» existente en la Era Secundaria y creando una compleja estructura de corrimientos y cabalgamientos volcados hacia el valle. Presentan también una considerable elevación y energía del relieve. Son, la Sierra de Tendeñera (2.883 m.), situada al oeste del río Ara, y el Macizo de Monte Perdido, al este (con sus 3.355 m . de altitud, uno de los macizos calizos más importantes de Europa).

Ambas unidades geomorfológicas, montañas paleozoicas y sierras calizas, aparecen además intensivamente remodeladas por la acción de los glaciares pleistocenos, que alcanzaron su máxima extensión en los Pirineos hara unos 45.000 años, comenzando a desaparecer hace tan solo 15.000 años y quedando, todavía algunos restos importantes (aunque en retroceso) en el Monte Perdido y en el Vignemale. Así mismo, las aguas de la lluvia y el deshielo han producido una intensa karsificación en las calizas, con extensos campos de lapiaces, dolinas y simas, entre las que destacan uno de el Sistema de Arañonera, bajo la Peña Otal (Sierra Tendeñera), uno de los conjuntos cavernarios de mayor desnivel del mundo.
Finalmente, al sur de las Sierras Interiores aparece el «flysh» eoceno, compuesto por multitud de finos estratos de margas y calizas alternantes que han dado lugar a relieves suaves y alomados, y donde arroyos y barrancos como el de Sorrosal, han logrado excavar amplios valles secundarios.