La Haute Chaîne du Jura, constitue le premier anticlinal sud-oriental du massif du Jura. Il est en continuité vers le nord, avec les autres anticlinaux de la Haute Chaîne jurassienne comme La Dôle, le massif du Mont Tendre, le Suchet, le Chasseron et le Chasseral. Il existe de nombreuses failles, chevauchements et glissements.
Faillé et soumis à l’ érosion glaciaire , son relief est tourmenté. Les affleurements s’étagent du Lias , époque la plus ancienne affleurant au Creux de l’Envers, au Miocène , époque la plus récente affleurant dans la Vallée de la Valserine.
Des dépôts de l’ancien glacier du Rhône contenant des éléments de roches cristallines comme les granites, les micaschistes et les gneiss ainsi que des moraines calcaires du glacier jurassien, endommagé le piémont.

Des affleurements de molasse (Aquitanien et Chattien) sont à noter sur le secteur de la Vattay. Ils constituent une originalité géologique pour le Jura et déterminent la présence d’une nappe aquifère perchée d’un haut intérêt.

De nombreux phénomènes géomorphologiques typiques du massif du Jura s’observent sur la Haute Chaîne du Jura. Les grands types de formes de relief comme les combes anticlinales, les creux glaciaires, les ruz, les cluses ou les phénomènes ponctuels liés au fonctionnement du karst comme les dolines, les lapiaz ou encore les gouffres sont abondamment présents sur la Haute Chaîne du Jura.
La dimension et les pentes de certains sites de falaises, de pierriers et de cirques glaciaires confèrent à la Haute Chaîne un caractère original presque alpin .