Dal punto di vista geologico la valle appartiene al settore delle Alpi Meridionali e comprende le Alpi Orobie, che cingono la valle a nord, e rilievi montuosi come il Corte, l’Arera, il Grem, l’Alben, il Pizzo dei Tre Signori, che segna il confine tra le province di Bergamo, di Sondrio e di Lecco, e il Pizzo del Diavolo, che segna, invece, il confine con la Val Seriana.

Le aree montane sono caratterizzate da boschi e foreste di conifere mentre nelle zone più pianeggianti si trovano faggi e castagni.

La valle è ricca di ferro, galena, zinco e rame che per secoli favorirono una florida attività mineraria. Numerose sono anche le cave di marmi, pietre calcaree, puddinga, ardesia. La Conformazione Calcarea della media e bassa valle favoriscono la presenza di grotte, alcune delle quali utilizzate in epoca preistorica per l'insediamento umano e per il ricovero degli animali.