El Colca, pertenece a la placa tectónica Sudamericana. Esta placa continental se hunde por debajo de la placa oceánica de Nazca. El frotamiento entre ambas a un profundidad de algo más de 100 km. origina los magmas o fluidos incandescentes que posteriormente remontan la litosfera a través de grandes fallas geológicas hasta alcanzar la superficie de la Tierra, con la consiguiente formación de volcanes.
Así, el área del valle está constituida predominantemente por rocas volcánicas, con presencia de algunas rocas sedimentarias.
El trazo más reciente de vulcanismo está conformado por las cumbres más altas del valle: los volcanes Hualca Hualca, Ampato y Sabancaya; así como por las laderas de lava fosilizada que descienden hasta Cabanaconde y Pinchollo en la margen izquierda del río; y por las altas montañas de la cordillera de Chila, en la margen derecha del valle.
El valle del Colca se distingue por estar cubierto de materiales diversos: hay una sucesión de al menos seis u ocho terrazas aluviales constituidas por conglomerados, arenas gravas y limos dispuestos en forma horizontal, todos ellos aprovechados por la agricultura; la segunda estructura está formada por conos aluviales que descienden de las quebradas tributarias del río Colca; estos materiales han descendido de la partes elevadas por erosión del agua y probablemente por la actividad glacial.

En el valle del Colca hay diversas fuentes de aguas termales, probablemente asociadas al vulcanismo. Su origen es el agua de lluvia que se filtra en el subsuelo y que se calienta en la profundidad de la tierra por su cercanía con una cámara magmática. El calentamiento hace que el agua caliente,sea más liviana que las aguas frías circundantes, lo que la lleva a subir hacia la superficie. La presencia de grietas en el terreno favorece una subida rápida a la superficie, el agua no pierde su calor. En algunos casos, del magma pasa al agua una cierta cantidad de gas carbónico, convirtiéndolas en aguas minerales de gran calidad. Hay que precisar, sin embargo, que no todas las aguas termales están relacionadas con el vulcanismo, y que en regiones no volcánicas también puede haber fuentes de agua caliente y gaseosa.
(fuente: Aspectos Geologicos del Valle del Colca por Guido Salas)