Cuatrociénegas está en el límite entre dos provincias geológicas: el Golfo de Sabinas y la Plataforma de Coahuila, donde la Sierra La Fragua sirve como parteaguas. El valle está rodeado por altas montañas, resultado de plegamientos; algunos de ellos, especialmente la Sierra de San Marcos y Pinos, presentan una gran cantidad de fracturas, que posiblemente sean las que permitan la recarga de los manantiales.