Zwischen Sangerhausen und Wallhausen liegt das Niederungsgebiet der Helme. Bis zu 2 Mio. Jahre alt und mehr als 50 m mächtig können die meisten Tone, Schluffe, Sande und Kiese sein, mit denen die Helme die Niederung im Pleistozän auffüllte. Sie bilden mit den Gesteinen des Tertiär das Lockergesteinsstockwerk. Im darunterliegenden Tafeldeckgebirge lagern ca. 250 Mio. Jahre alte Ton-, Schluff- und Sandsteine der Trias. Auch Kalksteine, Anhydrite und Salzgesteine des Zechsteins gehören zu den Ablagerungen des Tafeldeckgebirges.

Durch tektonische Vorgänge vor etwa 80 - 50 Mio. Jahren wurde die ursprünglich flache Lagerung der Meeres- und Seesedimente verändert. Heute treten in den Gesteinsschollen verschieden alte Gesteine aus unterschiedlichen Bildungsräumen nebeneinander auf und zeugen von vertikalen Bewegungsvorgängen, die z. T. mehrere 100 Meter erreichten. Diese tektonisch bedingte Zerblockung wird „saxonischer Bruchschollenbau“ genannt. Sobald die Gesteine des Zechsteins in die Nähe der Erdoberfläche kommen, beginnen auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung Lösungsprozesse durch Wasser. Dieser Vorgang heißt Verkarstung.

Gipskarst ist am gesamten Südharz zu finden und zeichnet sich durch romantische Höhlen, bizarre morphologische Formen und eine seltene Flora aus, die entlang des Karstwanderwegs zu beobachten ist.

Älter als die chemischen Sedimente des Zechsteins sind die groben verfestigten Kiese (Konglomerate) und die roten Sandsteine des Rotliegend. Es sind Abtragungsprodukte des alten variszischen Gebirges. Im Bereich des Hornburg Sattels treten sie auch an die Oberfläche.
Nach Norden beginnt das Grundgebirge mit den Gesteinen der Wippra-Zone. Durch die Metamorphose (Gesteinsumwandlung) während der variszischen Gebirgsbildung vor 350 – 330 Mio. Jahren entstanden aus tonigen und sandigen Meeresablagerungen des Ordoviziums und Silurs Tonschiefer und Grauwacken. Weiter nach Nordwesten folgen Sedimente des Unterkarbons.