La région est située dans la nappe des Préalpes médianes plastiques qui est marquée par une succession de synclinaux et d'anticlinaux orientés SW-NE. Le karst de Mayen-Famelon n'échappe pas à la règle puisqu'il comprend le synclinal de Leysin précédant l'anticlinal des Tours d'Aï. Sur le flanc qui domine le synclinal de Leysin, les couches sont en général peu inclinée, mais sur l'autre flanc les couches s'inclines fortement en direction du synclinal de l'Hongrin.

La quasi totalité des cavités se développent dans les calcaires massifs du Malm ou au contact Malm-Lias, ce dernier faciès jouant le rôle de niveau de base.

Quant aux couches du Dogger, elles sont très rares car dans la plupart des cas, il y a une lacune stratigraphique, le Malm reposant directement sur le Lias; les quelques affleurements observés se trouvent dans le Gouffre du Chevrier et contiennent par ailleurs des troncs fossiles.