Der Aufschluss zeigt ein fossiles Kliff aus der Zechsteinzeit, unten bestehend aus Grauwacken mit Zwischenlagen weicherer, grauer und roter Tonschiefer. Diese ließen sich leicht erodieren, so dass an der Kliffkante Brocken und metergroße Blöcke von Grauwacken abbrachen und als Schutt wieder am Fuß des Kliffs abgelagert wurden. Überlagert wird das Kliff von Zechstein-Dolomit. Nach Auswertung der Fossilien (Conodonten) gehören die unteren Schichten zu den Südharz-Grauwacken (Oberdevon III ?, ca. 370 Mio. J.).

Die vom Kliff abgebrochenen Schuttmassen bilden die Basis der Zechstein-Sedimente. Je weiter man sich nach links von der Kliffkante fortbewegt, umso kleiner, abgerundeter sind die Grauwackengerölle, die die einzigen Komponenten des Brandungskonglomerates bilden. Diese Gerölle werden im oberen Teil durch dolomitisches Material mit Zerreibseln von Bryozoen verkittet (Moostierchen).

Darüber folgt braungrauer, massiver, fast ungeschichteter dolomitischer Fossilschutt aus der frühen Zechsteinzeit (Werra-Folge). Dieser in 15 m Mächtigkeit erschlossene Dolomit enthält häufig Bryozoen, Muscheln und kleine Schnecken. Die nähere Analyse läßt vermuten, dass östlich des Steinbruchs ein Bryozoen-Riff vorhanden gewesen sein dürfte.

Der ehemalige Gemeindesteinbruch ist einer der bekanntesten geologischen Aufschlüsse in Niedersachsen. Er wurde wegen seiner Bedeutung für die erdgeschichtliche Forschung und Lehre als Naturdenkmal geschützt.

Im alten Steinbruch von Bartolfelde meint man, den Nachhall der Meeresbrandung noch hören zu können: In der Mitte eine Meeresklippe (1), überragt vom Schutt (2) eines nahen Riffs aus Meerestieren, links davor Brandungsschutt (3).

Vor rund 240 Millionen Jahren breitete sich allmählich ein Meer über die festländische Landschaft des zuvor zum ersten Mal aus dem Meer gehobenen Harzgebirges aus. Im Gebiet der heutigen Orte Bartolfelde - Barbis war das Meer relativ seicht, warm und ruhig. Das Wasser überflutete die alten Harzgrauwacken; im Bereich einer leichten Brandung wurden Inseln und Klippen allmählich abgetragen und der Gesteinsschutt blieb auf dem flachen Meeresboden liegen.

In Richtung Osterode (nordwestlich) war das Meer bedeutend tiefer. Während in großen Meerestiefen Gipse und Anhydrite abgelagert wurden, kam es im warmen und flachen Wasser dieser Gegend zum Ausfällen von Kalkschlämmen. Das bot vielen gerüstbauenden Tieren eine Lebensgrundlage. So siedelten sich im flachen Wasser riffbildende Tiere an. Es waren vornehmlich Moostierchen (besonders hier die Art THAMNISCUS). Sie bauten Riffe ähnlich der heutigen Riffe in tropischen Meeren. In den unregelmäßigen Zwischenräumen der Riffbauten lebten auch andere Tiere, besonders Zweischaler. Später einsetzende Veränderungen in den Lebensbedingungen ließen das Riff absterben.