Der Heiligenstein ist eine nach Süden und Südwesten ausgerichtete terrassierte Hanglage mit einem besonderen geologischen Aufbau, der sich durch die Geschicke der Erdgeschichte gerade hier erhalten hat. Die bis an die Oberfläche tretenden Festgesteine bestehen aus feldspatreichen, rotbraunen Sandsteinen und groben Konglomeraten, seltener sind Schluffsteine anzutreffen. Die Ablagerung der etwa 250 bis 280 Millionen Jahre alten Sedimente erfolgte in Seen, Tümpeln und periodisch aktiven Flussläufen unter Wüstenklima. In dem Gesteinspaket lassen sich Reste versteinerter Pflanzen und Gerölle vulkanischer Quarzporphyre finden. Nur stellenweise und in den wenigen leichten Talkerben ist etwas Löss erhalten.