Als die Oberfläche der Senne herausgebildet wurde, war der Teutoburger Wald bereits ein altes Gebirge. Seine Anfänge gehen zurück in das Erdmittelalter (Mesozoikum). In diesem Zeitalter, das sich von etwa 200 Millionen bis etwa 60 Millionen Jahre vor der heutigen Zeit erstreckte, war dieser Raum fast ununterbrochen von Wasser bedeckt. Auf dem Meeresgrund kam es zur Ablagerung von festen Stoffen aus dem Wasser. Diese wurden entweder durch Bäche und Flüsse vom Festland eingeschwemmt oder aus Kalk-Schalen von Meerestieren gebildet. Unter dem Druck vieler solcher Ablagerungen verfestigte sich das Material: Sand wurde zu Sandstein, Kalkablagerungen wurden zu Kalkstein.

Man darf aber nicht unbedingt davon ausgehen, dass die älteren Schichten auch heute noch unten liegen und die jüngeren oben. Wo sich viele Ablagerungen gebildet hatten, drückten diese auf das zähflüssige Erdinnere. Druck erzeugt Gegendruck und die Gesteine wurden oft kilometerweit in die Höhe gehoben, senkrecht gestellt oder sogar umgekippt.

Die Gesteine, die den Teutoburger Wald aufbauen, wurden im Mesozoikum, dem Zeitalter der Ammoniten und Saurier, als Sedimente abgelagert. Sie werden nach dem Zeitalter ihrer Ablagerung benannt. Das Mesozoikum gliedert sich in die Zeitalter Trias, Jura und Kreide. In der Trias, dem für den Aufbau des Teutoburger Waldes entscheidenden Zeitabschnitt, folgten nacheinander die Gesteinsablagerungen des Unteren, Mittleren und Oberen Buntsandsteins, des Unteren, Mittleren und Oberen Muschelkalks sowie des Unteren, Mittleren und Oberen Keuper. Im Jura finden wir Gesteine des Lias, Dogger und Malm. Die Kreide kann in Unter- und Oberkreide unterteilt werden, die Oberkreide noch in Cenoman, Turon und Coniac.

Diese klare Schichtung der Sedimentgesteine wurde gestört, als an der Grenze der Oberen Kreide zum Tertiär, also vor etwa 65-70 Millionen Jahren, das Gebiet des heutigen Teutoburger Waldes emporgehoben wurde. Dabei entstanden mehrere Bruchlinien, die zum Aufbrechen der Sedimentschichten und zur Bildung kleiner Gesteins-Schollen führten. Die Haupt-Bruchlinie, die sogenannte Osning-Spalte, gehört zu einer bedeutenden Störungslinie, welche zwei große Schollen der Erdrinde in Mitteleuropa voneinander trennt. Die nordöstliche Scholle hat sich etwas über die südwestliche geschoben, deren Rand dabei umgebogen, steilgestellt, stellenweise sogar übergekippt ist.

Heute stellt sich der Teutoburger Wald als ein von Nordwest nach Südost verlaufender Gebirgszug dar, der aus drei parallel zueinander liegenden Kämmen besteht. Der zentrale Hauptkamm wird vom Osning-Sandstein der Unteren Kreide gebildet, der südwestlich davon liegende Kamm von Turon- und Cenoman-Schichten der Oberen Kreide, der nordöstlich liegende Kamm von Keuper- und Muschelkalk-Gesteinen.