В геологическом отношении Прибайкалье охватывает зону контактов Сибирской платформы с Саяно-Байкальской горной областью.

Геологическое строение территории характеризуется как крайне разнообразное: здесь распространены метаморфические, осадочные и магматические породы возрастом от архея до кайнозоя.
Древнейшими породами архейского возраста почти целиком сложен Ольхон, юго-западная оконечность парка, лежащая за истоком р. Ангары, и район, расположенный у подножия так называемого сброса Обручева - тектонического разлома, протянувшегося от устья Бугульдейки на северо-восток вдоль пролива Малое море. Комплекс пород архея представлен в основном разнообразными гнейсами, плагиогнейсами (слюдистыми амфиболитами, порфирами и их переходными формами.
Вдоль берега Байкала от истока Ангары на севере и до ст. Култук на юге на протяжении 80 км Кругобайкальская железная дорога пересекает древнейшее геологическое образование - так называемый Шарыжалгайский краевой выступ фундамента Сибирской платформы. Этот выступ сложен древнейшими в Прибайкалье породами возрастом более 3 млрд. лет