충청북도에는 선캠브리아시대의 변성 퇴적암류와 편마암류를 기반으로, 전기 고생대(조선누층군과 옥천계 지층), 후기 고생대(평안누층군) 및 쥬라기(대동누층군)의 지층들이 제천, 단양, 충주와 괴산 일대의 단일 대상지역(帶狀地域)에 중첩 분포되어 있다. 이 지역은 고생대에는 바다였으나 쥬라기 중에는 육지화되고 육성 퇴적분지가 형성되어 퇴적작용이 계속되었다. 모든 지층들은 쥬라기 말에 습곡을 형성하고 화강암이 관입 하였다. 조선누층군에서는 석회암이, 평안누층군 및 대동누층군에서는 무연탄이 생산된다.
후기 백악기 중에는 소규모 퇴적분지들에서 화산쇄설물을 함유하는 하성 및 호성 퇴적층들이 쌓였으며 단양, 초평 등에 분포된다. 단양지역은 층서학 및 구조지질학적인 면에서 훌륭한 학습지역이다.