V období starších prvohôrbola veľká časť územia Západných Karpát zaplavená morom. V oblasti Zemplínskych vrchov sa horniny začali usadzovať v mladších prvohorách – v karbóne, približne pred 306 mil. rokov. Ide o súbor usadených hornín tvorený pieskovcami, zlepencami, ílovitými bridlicami, tufmi. V tomto období nastal výraznejší rozpad staršieho horninového podkladu na jednotlivé bloky a vytvárali sa čiastkové preliačiny (poklesnuté územia) a vyvýšeniny. Poklesnuté územia boli zapĺňané úlomkami z vynorených a dvíhajúcich sa okrajov pohorí. Podnebie bolo v tom čase teplé a vlhké s dostatočným množstvom zrážok. Pomerne dlhšie obdobie sa horniny usadzovali prevažne v riekach a jazerách. Úlomky rastlín i kmene stromov boli povrchovými tokmi znášané do poklesnutých oblastí, kde v určitej časti karbónskeho obdobia vznikali močiare. Dôkazom toho sú výskyty uhoľných slojov v okolí Veľkej Tŕne. Ku koncu tohto obdobia prebiehalo usadzovanie úlomkov v jazerách a v plytkovodnom morskom prostredí, o čom svedčí prítomnosť morských mikroorganizmov v horninách. Vývoj územia bol ovplyvnený aj sopečnou aktivitou, ktorej výsledkom boli ojedinelé výlevy kyslej lávy (s vysokým obsahom oxidu kremičitého). Začiatkom permu došlo k rýchlej zmene podnebia. Vlhké podnebie sa zmenilo na suché. Výrazne sa to prejavilo v pestrejšom zafarbení hornín (červené, zelené, fialkasté), ktoré môžeme nájsť v okolí Kašova, Černochova i Malej Bary.

V druhohorách oblasť dnešných Zemplínskych vrchov poklesla do väčších hĺbok čo malo za následok neprerušené usadzovanie hornín v plytkomorskom prostredí. Toto obdobie je zastúpené usadenými horninami – zlepencami, kremencami, pieskovcami, ílovitými bridlicami, vápencami a dolomitmi. Územie Zemplínskych vrchov a ich okolie bolo od konca druhohôr až do začiatku treťohôr súšou. Horniny v tomto období podliehali zvetrávaniu a erózii a rieky ich odnášali mimo pohoria. V období treťohôr začala oblasť Zemplínskych vrchov poklesávať pozdĺž zlomov a vytvorila sa vnútrohorská panva s plytkomorským až hlbokomorským prostredím. Neskôr sa usadzovanie hornín v oblasti mora prerušilo a územie sa stalo súšou. More ustupovalo a opäť zalievalo súš, čo sa vystriedalo aj niekoľkokrát. 

Významným geologickým dejom v období treťohôr bola sopečná aktivita. Láva ryolitového aj andezitového zloženia prenikala z hlbín Zeme a vylievala sa pozdĺž zlomov na povrchu i pod hladinou mora. Tak vznikali dnes už vyhasnuté sopky, ktoré sa nachádzajú prevažne po obvode Zemplínskych vrchov a ich bezprostrednom okolí. Koncom treťohôr more ustúpilo, vytvorili sa jazerá i rieky. Vznikali plytké močariská, z ktorých vyčnievali močiarne dreviny a na súši bol rozšírený listnato – ihličnatý les.

Štvrtohory sú najmladšou a zároveň najkratšou časovou periódou geologického vývoja Zeme, ktorá začala približne pred 2,6 mil. rokov a trvá do súčasnosti. Charakteristické sú opakované zmeny podnebia, ktoré sa prejavovali striedaním teplejších a suchších fáz – medziľadových dôb s chladnejšími a vlhkejšími ľadovými dobami. Po období treťohôr tu naďalej pokračoval jazerno – riečny vývoj s ukladaním prevažne ílovitých a piesčitých sedimentov. Skamenelé organizmy, ktoré sa našli v horninách poukazujú na nevysychajúce, pokojné prostredie s množstvom jazierok, meandrujúcimi riečkami a potokmi. Neskôr však nastalo oteplenie, podnebie bolo mierne, iba o niečo teplejšie ako v súčasnosti. Na hladine stojatých vôd voľne plávali vodné papradiny. V takomto prostredí sa usadzovali hlavne prachovité, ílovité a čiastočne piesčité sedimenty. Koncom tohto obdobia sa riečna sieť rozšírila a prepadnuté oblasti boli vypĺňané hrubými súvrstviami piesčitých hornín.