Bei einer Fahrt durch den zentralen Bereich des Donautals zwischen Mühlheim und Sigmaringen fallen unweigerlich die vielen gelbweißen bis weißgrauen mächtigen Kalkfelsen ins Auge, welche die Donau oft zu abrupten Richtungswechseln zwingen und bei Kletterern für einen Adrenalinstoß sorgen. Entstanden sind sie im Jurazeitalter vor ca. 160 Millionen Jahren und stellen ehemalige Schwammriffe dar. Das Jurazeitalter war eine prägende Zeit im Naturpark Obere Donau, damals wurden nach und nach die Schichten von Lias, Dogger und Malm abgelagert, die heute die Südwestalb und den Hauptbereich des Naturparks prägen. Während große Teile der Albhochfläche von Malmkalken (Weißer Jura) dominiert werden, treten am Albtrauf sowie im Albvorland Gesteine des Braunen und des Schwarzen Juras oberflächlich in Erscheinung. Besonders bekannt sind hier die Ölschiefer im Bereich von Schömberg und Dotternhausen, oder der Opalinuston.
Große Teile der Albhochfläche zeichnen sich, aufgrund weit vorangeschrittener Verkarstung, durch Wasserarmut aus. Charakteristisch für die Landschaft sind Trockentäler, Dolinen und Höhlen, sowie steinreiche, flachgründige Äcker.
Ganz im Gegensatz hierzu stehen die südlichen und südöstlichen Bereiche des Naturparks. Hier im Molassenbecken lagerten sich Gesteine des Tertiärs ab, die häufig von eiszeitlichen Ablagerungen überdeckt sind und eine ganz andere Landschaft entstehen lassen haben.
Als große Besonderheit finden sich mit dem Hewenegg und dem Wartenberg im Südwesten auch einige Zeichen des Hegauvulkanismus.
