Geologia i rzeźba terenu Beskidy, w tym również Babia Góra, uległy wypiętrzeniu w trzeciorzędzie, na obszarze pierwotnie zajmowanym przez Prakarpaty. Babia Góra zbudowana jest z fliszu piaskowcowo-łupkowego o dużej miąższości, o wyraźnym podziale na warstwy podmagurskie (piaskowce, łupki i margle powierzchniowe w dolnych partiach masywu) i magurskie (piaskowce o miąższości do 750 m). W skałach masywu odkryto liczne skamieniałości – głównie fauny numulitowej.
Epoka lodowa zapanowała w Karpatach przed 600 tys. lat. Powstały wówczas lodowce, których ślady (kary i jeziora polodowcowe) zachowały się w Tatrach i Karkonoszach. Prawdopodobnie w masywie babiogórskim występowały zjawiska glacjalne, lecz ich działalność została zatarta przez erozję okresu holocenu. Jedyną pozostałością lodowca, bądź pola firnowego, jest Kotlinka Suchego Potoku. W procesie erozji największe znaczenie miały tu ruchy masowe, szczególnie intensywne na północnych stokach masywu.