Le substratum géologique du Marais de Saône comporte des terrains superficiels les plus récents vers les couches anciennes les plus profondes :

→ Les formations superficielles constituées d’alluvions modernes argilo-sablo-limoneuses, d’argiles à chailles groupés sous le nom de dépôts périglaciaires, et plus localement de tourbe (tourbière de Morre). Elles sont épaisses (3 à 11 m) et peu perméables. Les chailles sont essentiellement localisées aux alentours du hameau de La Couvre ainsi qu’entre la gare de Saône et le hameau de la Grange Saint Antoine. La partie centrale du marais est elle occupée par les sédiments fins. Du fait de leur faible perméabilité, ces dernières formations jouent un rôle important dans l’hydrologie du marais. Jeannin (1970) distingue 3 niveaux dans ces dépôts superficiels :

• un premier niveau, de couleur ocre, contenant des matériaux argileux, riches en chailles et en fossiles silicifiés en bordure du marais, fins et compacts dans la dépression ;
• un second niveau, constitué d’un sédiment gris-bleuté à l’aspect d’une argile ne contenant ni chailles, ni fossiles ;
• un troisième niveau, de couleur ocre-rouge, témoignant d’une corrosion importante des calcaires il s’agit d’argiles de décalcification.

→ Les calcaires du Jurassique supérieur, de 200 m d’épaisseur environ.

→ Les marnes calcaires et les marnes de l’Argovien et de l’Oxfordien. Les marnes constituent une couche imperméable et constituent un écran.

→ Les calcaires du Jurassique moyen pouvant atteindre 200 m d’épaisseur de 30 m environ entre les 2 grandes assises calcaires du Jurassique moyen et du Jurassique supérieur. Cet écran n’est pas partait et en maints endroits, il se laisse traverser par des pertes établies dans les marnes, à l’exemple du Creux-Sous-Roche.