Desa Parangtritis berada pada empat formasi geologi, yaitu Aluvium (Qa), Endapan Merapi Muda (Qmi), Formasi Wonosari (Tmwl), dan Formasi Nglanggran (Tmn). Aluvium (Qa) dan Endapan Merapi Muda (Qmi) terbentuk pada zaman kuarter. Formasi Wonosari (Tmwl) terbentuk pada kala Mioesen akhir hingga Pliosen. Formasi Nglanggran (Tmn) terbentuk pada kala Miosen (Rahardjo et al., 1995).

Setiap formasi geologi tersusun oleh beberapa endapan permukaan maupun batuan. Formasi aluvium (Qa) terdiri dari kerakal, pasir, serta lanau dan lempung (Rahardjo et al., 1995). Endapan Merapi Muda (Qmi) di Desa Parangtritis adalah ekstrusi lava di Parangkusumo. Batuan penyusun Formasi Wonosari (Tmwl) yang ditemukan adalah satuan batugamping. Satuan batugamping di sekitar Desa Parangtritis antara lain batugamping berlapis, satuan batugamping bertekstur kristalin, satuan batugamping bertekstur fragmental, dan batugamping terumbu. Formasi Nglanggran (Tmn) di sekitar Desa Parangtritis adalah satuan breksi andesit (Triana, 2014). Batuan yang telah lapuk kemudian menjadi bahan induk tanah yang menentukan jenis-jenis tanah di Desa Parangtritis.

Struktur geologi yang dijumpai di Desa Parangtritis adalah sesar mendatar yaitu Sesar Parangkusumo dengan arah N 300ᵒ W menunjam 80ᵒ ke arah barat daya. Sesar ini mengontrol pemunculan mata air panas di Desa Parangtritis. Sudut penunjaman sesar menyebabkan pembukaan zona kekaran (fracturing zones) (Idral et al., 2003).

Struktur sesar di Desa Parangtritis dicirikan oleh lineasi anomali, kerapatan kontur, pembelokan anomali, dan pengkutuban anomali (negatif dan positif). Dari analisis keempat ciri tersebut dan anomali magnit total, di sekitar mata air panas Parangtritis terdapat 5 struktur sesar, 3 di antaranya berarah barat laut-tenggara dan 2 lainnya berarah timur laut-barat daya. Sesar yang berarah barat laut-tenggara (Sesar Parangkusumo) merupakan sesar yang mengontrol pemunculan mata air panas Parangwedang (Idral et al., 2003).