Il monte, alto 609 metri sul livello del mare, è geologicamente omogeneo. E', infatti, costituito principalmente da rocce carbonatiche. Si tratta di rocce sedimentarie, con prevalenza di calcari, formate da carbonati di calcio e di magnesio. Il fenomeno principale cui è soggetto il monte è il carsismo. In pratica le acque piovane non scorrono in superficie ma filtrano in numerosi anfratti per poi riapparire come sorgenti. Il contatto tra l’acqua e alcuni tipi di rocce di origine organica (soprattutto calcari formate da gusci di organismi marini morti milioni di anni fa) fa sì che il liquido si comporti con le stesse rocce come se fosse un acido. Il carsismo è quindi una delle cause delle numerose grotte che sono presenti a Monte Pellegrino. Delle 134 sinora censite alcune sarebbero anche di origine marina. Il monte è stato definito da più parti un vero e proprio museo paleontologico all'aperto: ci sono importanti siti fossiliferi a partire dal periodo Cretaceo.