O PNDI ocupa duas zonas planálticas de natureza essencialmente granítica: o Planalto Mirandês, a norte e com maior altitude média, e o Planalto de Riba-Côa no extremo sul acompanhando o vale do Águeda. Entre as duas zonas citadas situa-se uma área xistosa – Freixo de Espada à Cinta – com vale mais aberto.

    O substrato geológico é constituído por uma grande variedade de rochas, com destaque para granitos e rochas metamórficas (filitos,metagrauvaques, quartzitos e gnaisses), localmente cobertas por rochas sedimentares mais recentes (conglomerados, areias e argilas).