Na área que hoje corresponde ao vale do Mondego, a sedimentação tornou-se greso-argilosa no início do Cretácico, em regime de planícies aluviais, até se dar o avanço do mar; após o recuo deste, no Cretácico Superior, observou-se a passagem de grés finos a grés grosseiros superiores (Ribeiro, A. et al., 1979), argilosos, por vezes conglomeráticos, quartzosos a arcósicos, esbranquiçados, com camadas de areia grosseira ou média, branca ou amarelada, terminando em pelitos vermelho tijolo, originando a unidade conhecida como "Grés e Argilas de Taveiro". Sobre esta unidade, e já durante o Plistocénico, constituíram-se os diferentes níveis de terraços fluviais (Ribeiro, A. et al., 1979), compostos por camadas de areia e argila, de cor castanho amarelada; representam depósitos de antigas praias fluviais e são ricos em cascalho (seixos e calhaus rolados) de constituição quartzosa e quartzítica, ocupando, na região, diversos pontos de cota mais elevada.

Finalmente, no Holocénico, iniciou-se a formação dos depósitos aluvionares (Ribeiro, A. et al., 1979), processo que continua na actualidade. Nesta área, os aluviões são de constituição argilo-arenosa, cobrindo o fundo do vale e interestratificando-se com material proveniente da erosão dos terraços.

Para além destas unidades, é ainda possível identificar, dentro dos limites da Reserva Natural do Paul de Arzila, a Formação Argilo-Gresosa e Conglomerática de Senhora do Bom Sucesso (A. Ferreira Soares e R. P. Pena dos Reis, 1980). O esboço geológico do Paul de Arzila, então elaborado por estes autores, apresenta a distribuição cartográfica das seguintes unidades:

Areias e Argilas de Taveiro (Arenitos e Argilas de Taveiro da Folha 19-C, Figueira da Foz, da Carta Geológica de Portugal). Esta unidade greso-pelítica esbranquiçada a vermelho-tijolo, de idade Santoniano-Maastrichtiano, serve de substrato à grande maioria dos depósitos quaternários observáveis dentro da área da RNPA. Os níveis gresosos que compõem esta unidade são essencialmente de areia grosseira a média, quartzosa a subarcósica, imatura a matura, com estruturas entrecruzadas e tons esbranquiçados e rosados. Estes termos articulam-se em sequências homogéneas positivas complexas que, com frequência, terminam em pelitos vermelho-tijolo ricos em esmectites. Os níveis pelíticos que compõem esta unidade, que chega a atingir 9 m de espessura, apresentam-se com aspecto homogéneo, localmente laminado e fortemente bioturbado.
Formação Argilo Gresosa e Conglomerática do Bom Sucesso (Oligocénico - Miocénico Médio). Esta unidade assente em descontinuidade sobre as Areias e Argilas de Taveiro, é de difícil observação e corresponde a um depósito essencialmente arcósico a subarcósico, médio a muito grosseiro, por vezes conglomerático, imaturo a submaturo e esbranquiçado a esverdeado com manchas avermelhadas e acastanhadas. Com estrutura geral entrecruzada, os seus termos articulam-se frequentemente em sequências positivas complexas que chegam a atingir o polo pelítico.
Terraços fluviais e Aluviões + Coluviões (Quaternário). Os terraços fluviais, sistematicamente ravinantes dos sedimentos subjacentes, correspondem a depósitos areno-cascalhentos, imaturos e de cor acastanhada e/ou amarelada. As cascalheiras, ricas em seixo e calhau subredondo a redondo de esfericidade baixa, têm tendência polimítica, com predomínio de calhaus de quartzo e quartzito. Localmente surgem horizontes arcosareníticos e subarcosareníticos, imaturos e com estruturas entrecruzadas.

Os Aluviões + Coluviões correspondem a depósitos essencialmente argilo-gresosos, por vezes muito plásticos, e cinzentos a negros quando húmidos, que constituem a camada superficial do paul. Os depósitos coluvionares geram-se ao longo das margens do paul por coalescência de leques de escorrência que nas suas porções terminais, se interestratificam com os próprios aluviões. É fundamentalmente à custa daqueles leques que os aluviões ganham seixos e calhaus rolados, herdados dos terraços fluviais circunvizinhos ao paul.