Das Zechsteinmeer wurde durch eine alte Meeresschwelle in ein östliches und ein westliches Becken geteilt. Die Meeresschwelle wurde von einem flachen, warmen und lichtreichen Meer überflutet. Im Wasser gab es viele Lebewesen, deren Kalkskelette nach dem Absterben der Tiere die Voraussetzungen für mächtige Dolomitablagerungen ergaben.

Am Standort Kaiserklippe war das Meer besonders flach. Unmittelbar auf der Grauwacke setzte das vordringende Zechsteinmeer einen etwa 30 m mächtigen Dolomitschlamm ab, der durch spätere Verfestigung und Verwitterung die Gesteine der heutigen Kaiserklippe bildet.

Die Ablagerungen wurden von Zeit zu Zeit in der Wellenbrandung umgelagert, was man an einer zyklischen Schrägschichtung in den Sedimenten erkennen kann.

Fossilien sind relativ selten erhalten.

Die Hochfläche oberhalb der Klippen war ein älterer Talboden des Odersystems. Von den Klüften dieser wenige Zehnermeter starken Dolomitschicht begann im Altquartär (vor etwa einer Million Jahren) die Höhlenbildung. Ein Teil hiervon, beispielsweise die Einhornhöhle, ist erhalten geblieben. Bei der späteren rückschreitenden Erosion des Eiszeitalters wurde der Talboden tiefergelegt und die Hochfläche aus verkarstetem Dolomit angeschnitten. Viele Höhlengänge brachen zusammen, nur die nicht unterhöhlten Teile blieben stehen. So entstanden die eindrucksvollen Scharzfelder Klippen.