Bayburt Ovası, çeşitli jeolojik dönemlerin izlerini taşıyan zengin bir yapıya sahiptir. Bu bölgedeki jeolojik katmanlar, tarihsel süreçte meydana gelen volkanik ve tortul olayların sonucunda oluşmuştur. Farklı dönemlere ait kayaçlar, bölgenin topografyasını ve doğal kaynaklarını şekillendirirken, aynı zamanda yer altı su kaynaklarının da oluşumuna katkı sağlamıştır. Bayburt Ovası'nın jeolojik yapısı, hem bilimsel araştırmalar hem de doğal güzellikler açısından büyük bir öneme sahiptir.

Bayburt Ovası'nın jeolojik yapısı şu şekilde özetlenebilir:

• Permo-Karbonifer: Ovanın kuzeyinde, Karbonifer'in tabanı gözlenmez; en alt seviye, volkanik kaya ve alüvyonlarla sınırlanır.
• Lias: Permo-Karbonifer üzerinde yer alır ve kaidesi metamorfik kütleler üzerinde bulunur, 5-30 cm kalınlıkta kömür yatakları içerir.
• Malm: Lias'ın üzerinde yer alır, alt kısımlarında ince tabakalı ve fosilli kalkerler, üst kısımlarında ise greli ve konglomeralı detritik bir seri bulunur.
• Eosen: Fliş fasiesinde gelişmiştir, alt kısmı 1600 m kalınlıkta gre ve konglomeralardan, orta ve üst kısmı ise 350-400 m kalınlıkta kalker, marn ve grelerden oluşur.
• Miyosen: Deniz fasiesinde kalkerler, kara fasiesinde ise kil, marn, jips, gre ve göl kalkerlerinden müteşekkildir.

Bölgede ayrıca, genellikle fay hatları boyunca kalın ve geniş traverten teşekkülatları ile alüviyonlar da bulunur.