Geológiai szempontból a medence a Balaton-felvidéken belül a legváltozatosabb tájegység, és országos viszonylatban is egyedülálló. A perm időszak vörös homokkövétől kezdve szinte a teljes triász kőzetsorozaton át az egyedi pannon kovás homokkőig számos kőzettípus előfordul itt, amit a tűzhányó-tevékenység csak tovább gyarapított. Ezen sokszínű kőzetek alkotják a Káli-medence fehér, fekete, illetve vörös arcát.