Основу Кокшетауской возвышенности составляют, выходящие на поверхность, докембрийские породы каледонской складчатости с орогенными гранитоидами и интрузиями различного возраста. Мелкосопочник сложен сланцами, гнейсами, амфиболитами, лавами основного состава и их туфами. Наиболее крупные горные массивы в своей основе имеют ядра герцинских гранитоидных интрузий, выходящих на поверхность в виде матрацевидных, сильно эродированных гранитных сопок. Низкогорный мелкосопочник сложен в основном мелко- и среднезернистыми гранитами с элювиально-делювиальным чехлом рыхлых отложении. Речные долины с комплексами нерасчлененных надпойменных террас и пойм сложены грубообломочным материалом с гравийно-галечниково-песчаным заполнителем.

В состав минералов, образующих граниты входят кремнекислые соединения алюминия, железа, магния, кальция, натрия и калия.  В пегматитовых жилах, пронизывающих граниты, содержатся литий, бор, титан, марганец и некоторые элементы из группы редких металлов

На территории встречается более 90 различных минералов, в том числе полудрагоценных: травяно-зеленый хризопраз, синевато-молочный и желтый халцедон, роговик, зеленый змеевик. В степной части имеются выходы разноцветных яшм. Пегматитовые жилы и занорыши в розовых гранитах содержат горный хрусталь, цитрин, аметист, плавиковый шпат, шеелит, турмалин и др., которые могут служить сырьем для сувениров местных производителей.

Район оз. Зерендинское. Территория у оз.Зерендинское целиком входит в пределы гранитного массива. Это сложный по строению и составу комплекс интрузивных образований имеет значительные раз­ницы. На большой части территории он представлен розово-серыми крупнозернистыми гранитовидными образованиями.

Район оз. Имантау. Национальный парк «Кокшетау» охваты­вает озерную ванну Имантау и ее обрамление в радиусе 2-3 км, а так­же включает Имантауский гранитный массив.

Ванна Имантау почти целиком расположена в поле развития сильно метаморфизованных пород Зерендинской серии нижнего и среднего протерозоя. Представлены они кристаллическими сланца­ми, гнейсами с прослоями кварцев.

В геологическом строении западного и юго-западного побере­жья озера принимают участие интрузивные породы верхнего ордо­вика, представленные крупнозернистыми и среднезернистыми пор­фировидными гранитами. По породам кристаллического фундамента развита кора выветривания, мощности в целом небольшие.

Среди отложений четвертичного возраста наиболее широко раз­виты аллювиально-делювиальные маломощные отложения.

К современному отделу отнесены аллювиальные отложения не­больших водотоков, представленные песками и галечниками с про­стоями иловатых глин, супесей и суглинков.

Район оз. Шалкар. В геологическом строении климатического фундамента участка принимают участие магматические и осадочные, сильно дислоцированные и метаморфизированные породы до палео­зоя и палеозоя. Самыми древними являются докембирийские толщи, разбитые сетью разрывных нарушений. Они представлены гнеиса­ми, кристаллическими сланцами. Развиты они у северо-восточного побережья озера Шалкар.       .

Определенную роль в геологическом строении играют интру­зивные образования, занимающие часть района. Породы фундамен­та, начиная с верхнего палеозоя до палеогена включительно, в той или иной мере были затронуты процессами выветривания. Непосред­ственно на породы фундамента или кору выветривания с размывом залегают озерные, реже озерно-аллювиальные отложения. Озерные и озерно-аллювиальные древних долин и ложбин стока непосред­ственно примыкают к юго-западной части озера Шалкар. Представ­лены аллювиальными темно-серыми песчаными глинами. Покров­ные суглинки имеют широкое  развитие, отсутствуют лишь в преде­лах выходов скальных пород.

Делювиально-пролювиальные отложения склонов мелкосопоч­ных массивов залегают с разрывом  на горах выветривания или поро­дах фундамента.

Представлены желто-бурыми и темно-коричневыми суглинками и супесями с включением грубозернистых песков и щебня.

Современными являются и маломощные осадки временных во­достоков выпадающих на oз. Шалкар на юго-западном и юго-вос­точном побережьях.