Sejarah geologi Sangiran dimulai ketika terjadi sedimentasi Formasi Kalibeng berusia 2,4 juta tahun. Formasi ini mempunyai material berupa lempung biru dengan analisis polen menunjukkan bahwa Sangiran pada saat ini dibatasi oleh hutan bakau lebat. Kondisi lingkungan ini tidak memungkinkan penemuan mamalia kontinental.
Aktivitas vulkanik pada 1,7 juta tahun silam mengendapkan lahar tebal di cekungan Solo yang sebagian besar mengisi laguna Sangiran. Lapisan berupa lempung hitam Formasi Pucangan ini telah merusak hutan bakau dan mengubah bentang lahan menjadi laut dangkal. Lapisan tanah yang banyak mengandung gastropoda ini di beberapa tempat mencapai ketebalan hingga 15 meter. Lapisan ini penting karena ditemukan sejumlah fosil mamalia dan temuan sisa-sisa manusia yang digolongkan sebagai Homo erectus kekar.
Di atas Formasi Pucangan, terdapat konglomerat silikaan stadium lanjut berusia sekitar 0,9 juta tahun lalu yang dinamakan Grenzbank yang menjadi pembatas antara Formasi Pucangan di bawahnya dengan Formasi Kabuh di atasnya. Lapisan ini juga menandai perubahan lingkungan rawa menjadi lingkungan darat.
Periode 900.000 hingga 200.000 tahun yang lalu, aktivitas vulkanik berupa letusan-letusan gunung api terjadi dengan hebat. Jutaan kubik material gunung api berupa pasir dan endapan dari sungai-sungai yang mengalir ke Sangiran menutup Grenzbank dan meninggalkan material pasir setebal kurang lebih 40 meter sebagai Formasi Kabuh, sedimen vulkanik berfasies fluviatil dengan struktur silang-siur. Sebaran formasi ini secara lateral dan vertical merupakan formasi yang paling menonjol dibanding yang lain. Analisis polen terhadap sampel-sampel tanah menunjukkan lingkungan dengan vegetasi terbuka. Sebagian besar fosil manusia berasal dari lapisan ini dengan ciri fisik tengkorak yang lebih berevolutif dibandingkan pendahulunya, Homo erectus arkaik/kekar.
Formasi Notopuro adalah lapisan tanah dengan material pasir dan batuan andesit berukuran kerikil hingga bongkahan, berusia antara 200.000 hingga 70.000 tahun silam. Fosil vertebrata masih banyak dijumpai pada lapisan ini, tetapi kehadiran manusia sudah tidak dapat ditemukan lagi.
