Les roches principales du Fenouillet sont de type métamorphique : micaschistes à muscovite dominants, accompagnés de marbres, et de grès de faibles granulométries, psammites et argilites.
Ces roches d'âge paléozoïque appartiennent à l'orogenèse hercynienne, et forment une série avec les roches de Porquerolles et celles du massif du Cap Sicié, à Toulon. L'ensemble constitue la partie la plus occidentale du massif des Maures-Tanneron, qui constitue l'essentiel de l'ensemble de la Provence cristalline.
Cet ensemble a subi un métamorphisme croissant d'ouest en est, et le Fenouillet a ceci de remarquable que les roches qui le constituent sont les moins métamorphisées du massif. On y trouve même des séries sédimentaires quasiment pas métamorphisées, où l'on a pu découvrir des fossiles de graptolites.
Ces graptolites, issues d'une veine située à proximité de Notre-Dame du Fenouillet, sont les seuls fossiles connus de tout le massif des Maures, qui permettent de dater de manière sûre l'âge des dépôts sédimentaires qui ont constitué la chaîne, soit du Silurien moyen