Postojeća raščlanjenost, dinamika i ostale osobine reljefa u uskoj su vezi sa petrografskim sastavom i geološkom građom. Mezozojske i tercijarne naslage imaju na Kozari najveće rasprostranjenje, premda je Kozara u osnovi građena od starijih stijena (paleozoik, prekambrij). Mezozojske stijene preovladavaju na jugoistočnom, a tercijarne na sjeverozapadnom dijelu Kozare.
Položaj starih naslaga, prvenstveno paleozojskih, te vulkanskih stijena upućuju da je izdizanje Kozare bilo praćeno vulkanskim izlivima.
U području Nacionalnog parka nalazimo naslage koje dominiraju i u građi Kozare. To su prije svega eocenski fliš i mezozojske naslage. Pored njih u južnom dijelu postoji zona donjoeocenskog vapnenca.
U geološkom pogledu područje Nacionalnog parka Kozara je dosta raznovrsno. Centralni i sjeverni dio je izgrađen od naslaga tercijarnog (eocenskog) fliša, koji je predstavljen vrlo različitim facijama. Vrhovi u pojasu iznad 800 m, pa i znatno niži, sazdani su uglavnom od krečnjaka. Kredni fliš je zastupljen u predjelu od istočne periferije Benkovca do sjevernog ruba Gole planine. Sastoji se od laporovitih krečnjaka, lapora i pješčara. Na gabrodoleritu je veći dio sliva Starenice, Bijele kose, Hrastove i Jurišne kose i Razboja. Krečnjak i dolomit su rasprostranjeni u predjelu Kozaračkog kamena, Sokolina, Vrnovice, Vrnovičke glave, Zečjeg kamena i Jankovice, zatim u dolini Starenice, na Gumlinama i Goloj planini, kod Jarčevice i Pavkovca i jugoistočno od Hrastove kose. Kompleksi na pješčarima i glincima su na jugu područja. Manji kompleksi serpentinita nalaze se u jugoistočnom dijelu Parka, južno od potoka Jovovače.
Zastupljenost pojedinih matičnih supstrata na području Nacionalnog parka je sljedeća: fliš 70,22%, gabrodolerit 20,52%, pješčari i glinci 4,19%, jedri krečnjaci i dolomiti 3,84%, serpentinit 1,23%.
