Le nord-est de la région est marqué par la chaîne varisque des Vosges et toutes les parties nord est occupée par des plaines épivarisques où le sous-sol est riche en argile et en grès. La partie sud-est est marqué par des plaines et des plateaux datés du Jurassiques riches en grès, marne irisée, dolomies et gypse. Des dépressions du Tertiaire et du Quaternaire marques la partie centre-ouest de la région et la partie est du Territoire de Belfort.
Plusieurs ressources exploitées par l'Homme. Du sel est extrait dans un bassin salifère qui s'étend sous le département du Jura, du Doubs et de la Haute-Saône. Des mines métalliques sont exploitées dans les quatre départements. Enfin, la région repose sur trois gisements de houille: le bassin houiller du Jura au sud et les bassins houillers keuspériens et stéphanien sous-vosgien au nord, qui sont restés en grande partie inexploités. Des mines voient le jour en Haute-Saône, dans le Doubs et dans le Territoire de Belfort entre le XVIe siècle et le XXe siècle, les plus importantes étant les houillères de Ronchamp. Le sous-sol de la Haute-Saône recèle également un gisement de schiste bitumineux de Haute-Saône daté du Toarcien.
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