Auf ca. 838 km2 Größe sind im GeoPark Kyffhäuser ca. 500 Mio. Jahre Erdgeschichte zu erleben. Im Karbon vereinigten sich verschiedene Mikrokontinente und Gondwana schlussendlich zum Variszischen Gebirge – Gesteinspakete wurden gefaltet, geschiefert, von Störungszonen durchsetzt, von metamorphen Prozessen verändert und von Intrusionen durchtränkt. Bei der Verwitterung dieses Gebirges wurde der Abtragungsschutt in Tälern und Senken abgelagert. Daraus entstanden Konglomerate, Sandsteine oder feiner körnige Sedimentite, die allgemein als Kyffhäuser-Sandstein bezeichnet werden und prägend für die Region sind. Meeresüberflutungen von Norden führten während des Perms zur Ablagerung mächtiger Evaporitlager. Gips, Anhydrit, Salz – diese Gesteine sind für den GeoPark Kyffhäuser von ganz besonderer, landschaftsprägender Bedeutung. Darauf basiert die erfolgreiche Geschichte der Städte Bad Frankenhausen, Sondershausen, Artern und Roßleben-Wiehe. Während der Trias, beginnend vor ca. 251 Mio. Jahren, wurden vor allem die roten Sandsteine des Buntsandsteins, die fossilhaltigen Kalksteine des Muschelkalks und die Tone des Keupers abgelagert. Die widerstandsfähigen Gesteine bilden heute die Höhenrücken der Wind- und Hainleite, durch die sich in jüngster Vergangenheit das Flüsschen Wipper eingeschnitten und so weithin sichtbare Klippen entstehen lassen hat. Die Zeit des Juras und der Kreide ist im Gebiet des GeoParks nicht mit der Ablagerung von Gesteinen belegt, jedoch haben tektonische Bewegungen, beginnend im Zeitalter der Kreide, zur Anlage der Pultscholle geführt, die später zum Kyffhäuser herausgehoben wurde. Im Känozoikum, der Erdneuzeit, bildeten sich u. a. Travertine, und der blockierte Abfluss eines Sees bewahrte einen prähistorischen Siedlungsplatz des Homo erectus.