Seit dem Devon bis vor 300 Mio. Jahren war die Region überflutet, zeitweise sogar Tiefseegebiet. Im Devon und frühen Karbon entstanden mächtige teilweise fossilführende Meeresablagerungen: Kalk- oder Sandsteine, Kieselschiefer aus Kieselsäureskeletten von Einzellern, Tonschiefer und Grauwacken. Die Diabase des "Oberharzer Diabaszuges" bei Lerbach sind Laven untermeerischer Vulkane. In Verbindung mit ihnen entstanden Roteisensteinlager. Zu Beginn des Oberkarbons setzte in Europa die "Variskische Gebirgsbildung" ein. Dabei entstanden Erzlagerstätten in Klüften und Spalten. Das Gebiet des Harzes war intensiv aufgefaltet und fiel dann trocken. Noch während des Oberkarbons und zu Beginn der Permzeit wurde dieses Gebirge weitgehend abgetragen. Der rötliche Abtragungsschutt - daher der Name Rotliegendes für diese Zeitstufe - sammelte sich in weiten Becken am Rande des Rumpfgebirges. Vor 258 Mio. Jahren wurde Mitteleuropa dann erneut überflutet. Die Ablagerungsschichten dieses "Zechstein-Meeres", die sich über 100 km am Südharzrand entlangziehen, legten sich flach auf die gefalteten Schichten des Rumpfgebirges. Bei Osterode veranschaulichen geologische Aufschlüsse dies quasi als Momentaufnahme der Erdgeschichte. Die neuen Meeresablagerungen begannen mit dem Zechsteinkonglomerat, einem alten Brandungsgeröll. Es folgt als Kupferschiefer ein Faulschlamm am Boden eines stagnierenden Teilmeeres. Dann kam es zu wiederkehrenden Ablagerungen von Kalken bzw. Dolomiten, Tonsteinen, Gipsen und Salzen. Es sind überwiegend chemische Absatzgesteine, die unter extremen Klimabedingungen durch Eindampfen des Meerwassers entstanden sind, in einem Klima wie heute am Roten Meer. Dieses heiße Klima entspricht der geographischen Breite Westafrikas, wo unser Raum damals lag. Die Verlagerung in die heutige nördliche Position sowie die Entstehung des Atlantiks geht auf die Verschiebung der Kontinentalplatten zurück; eine bereits 1912 von ALFRED WEGENER entwickelte und vielfach bestätigte Lehre. In der nachfolgenden Trias- und Jurazeit war der Harz erneut Meeres gebiet. Die Ablagerungen der Formationen wurden seit ca. 100 Mio. Jahren nach und nach abgetragen. Relikte des Erdmittelalters (Trias, Jura, Kreide) gibt es im Gebiet des Harzes nicht mehr; sie stehen allerdings im Vorharz an. Seit dem Tertiär vor 65 Mio. Jahren wird der Harzraum erneut angehoben, dies förderte die Abtragung. Die Kaltphasen des nachfolgenden Quartärs beschleunigten die Erosion. Die Täler wurden tiefergelegt und ihre Abtragungsmaterialien liegen heute als Flußkiese im Sösebett vor. Die Gipsberge von Osterode bis Badenhausen bilden seither eine markante Geländestufe. Das Gebiet ist verkarstet, denn Gips ist ein wasserlösliches Mineral und bildet Hohlformen, z. B. Höhlen und Erdfälle, sowie eine unterirdische Entwässerung. Die noch heute sichtbaren Karsterscheinungen entstanden in der allerjüngsten Zeit, dem Holozän.