Die Val Lumnezia setzt sich aus verschiedenen Serien des sogenannten «Bündnerschiefers» zusammen, welche die Täler südlich des Rheins aufbauen: Valsertal, Safiental, Domleschg sowie die nördlichen Bereiche des Schanffigs und des Prättigaus. Weitere Aufschlüsse sind im Unterengadin und Avers-Bergell vorhanden. All diese mehrere 100 m mächtigen, tonigen Bündnerschieferserien wurden über den Gotthardmassiv geschoben. Der Aufbau der Bündnerschiefermassen ist sehr komplex, da seine Entstehungsspuren im Laufe der Jahrmillionen weitgehend verwischt wurden. Zeugen der Vergangenheit finden sich nur vereinzelt. Generell sind die Bündnerschieferserien aus grauen, schiefrigen, tonig-kalkigen Bänken aufgebaut, die mit Quarzitadern durchsetzt sind.
Die Bündnerschiefer der Val Lumnezia können in zwei Hauptpakete unterteilt werden. Nördlich des Glenners liegen die grauen, stark verwitterten Schieferbänke, die zum Sedimentmantel des Gotthardmassivs gehören. Diese liefern die Grundlage für fruchtbare Landwirtschaftsböden, unterliegen jedoch einer starken Erosion. Südlich vom Talfluss befindet sich die Zone der Lugnezer Schiefer.
Der östliche Talabschnitt auf der rechten Talseite ist weniger stark von Erdbewegungen geprägt. Dafür ist dieser Hang durch die Erosion der Seitenbäche stark zergliedert. Der weiche, tonige Bündnerschiefer wurde durch Bäche mit starkem Gefälle zu tiefen Tobeln erodiert. Dieser Erosionsprozess dauert noch an. Vor allem bei heftigen Niederschlägen transportieren die Bäche viel Schutt aus den Seitentälern und lagern das Material oft fächerförmig an der Talsohle ab. In regelmässigen Abschnitten von wenigen Kilometern grenzen tiefe Schluchten die Gemeindegebiete der Terrassendörfer auf der rechten Talseite gegeneinander ab. Auch der Bündnerschiefer der Signina-Gruppe, welche die Val Lumnezia und das Safiental trennen, ist beiderseits der Kette so sehr von der Erosion erfasst worden, dass nur noch ein verwitterter, zerbröckelter und zerklüfteter Bergrücken zurückgeblieben ist. - Das Gebiet von Vrin zuhinterst im Tal, das bis in die imposante und geologisch aufschlussreiche Hochebene der Greina hinaufreicht, grenzt am Kristallin des Gotthardmassivs.
Im Valsertal verengt sich die Luchnern zwischen St. Martin und Vals zur wilden, steil abstürzenden Schlucht mit schroffen Felswänden. Hier kommen die kristallinen und mineralhaltigen Gneise der Aduladecke zum Vorschein, zu der auch das Zervreila- und Peilertal gehören. Der nördliche Grenzverlauf des Aduladecke liegt auf der Linie zwischen Vals und Olivone. Der Boden auf dem Gebiet von Vals ist karg und die Bewirtschaftung des steilen Geländes mühsam.
