関川流域全般の地質は、大別して、高田平野の主要部をなす沖積層、山地を形成する新第三紀層、平野の周辺に台地や丘陵を形成する洪積層から成っています。
　沖積層は、関川、矢代川及び保倉川を始めとする河川によって運搬された堆積物からなり、海岸地域や平野の中央部では細粒の物質からなっていますが、特に南部から南東部の山麓地域は砂礫層からなり細粒です。
　洪積層は、保倉川の中流及び西部の山麓地域の段丘堆積物は砂礫層を主とするが、表面はシルトや褐色粘土層が存在し、時にはロームをのせていることもあります。
　新第三紀層は、高田平野の基礎をなし、主として砂岩層と泥岩層及びその互層からなるが、場所によっては礫岩層をはさみ角閃石片岩の潜入もみられます。
　流域東部山地は、主として寺泊層の黒色頁岩地帯であり、地滑りの多い地域でもあります。