Las formaciones rocosas de la Ciudad Encantada son formaciones de modelado kárstico, cuyo origen se remonta al periodo Cretácico, hace aproximadamente 90 millones de años. En el Cretácico, el
mar de Thetis cubría gran parte de lo que actualmente es la península ibérica y la zona que hoy conforma la Ciudad Encantada formaba parte del fondo. Era una zona de
aguas tranquilas donde existió una importante deposición de sales, principalmente carbonato cálcico, provenientes de los esqueletos de los animales de la zona y de la porción disuelta en el
agua.
Al final del Cretácico, la orogenia alpina originó la elevación del terreno, pasando a formar parte de la tierra emergida parte de la superficie que antes era fondo marino. Los bancos de carbonato cálcico convertidos en
piedra caliza quedaron expuestos a los agentes atmosféricos, como la
lluvia, los cambios de temperatura, y a los agentes biológicos, como la acción de los diferentes seres vivos, que fueron progresivamente erosionando la
roca. La roca caliza es muy permeable y permite la infiltración del agua de lluvia. El agua, junto con la acción del dióxido de carbono (CO2), disuelve la roca caliza aumentando aún más su porosidad y formando en su interior galerías, dando como resultado las formaciones de karst.
La Ciudad Encantada es un karst muy avanzado donde gran parte de la roca ha sido disuelta, la mayor parte de las galerías se han derruido al caer el techo de las
cuevas y quedan sólo en pie los bloques de las zonas de piedra más resistentes que adquieren por la erosión formas caprichosas.