Il est rare que l'origine volcanique d'un paysage soit aussi évidente que pour le Kaiserstuhl. Seule dans la plaine du Rhin supérieur, elle domine le paysage environnant d'environ 350 mètres. Le volcanisme remonte à environ 21 millions d'années, l'activité principale ayant eu lieu entre 19 et 15 millions d'années. La limite entre la croûte terrestre et le manteau est déplacée vers le haut dans cette zone, et la croûte est environ 6 km plus mince que d'habitude. Cela a permis au magma d'émerger dans la zone de fracture du Fossé du Rhin supérieur. Les éruptions partiellement explosives et violentes de plusieurs stratovolcans, dont les sommets ne sont plus conservés aujourd'hui, ont laissé derrière elles des coulées de lave pouvant atteindre 1,4 kilomètre de long, des couches de tuf, des bombes de lave et d'innombrables minéraux et types de roches. La plus courante est la téphrite en tant que roche ignée, suivie de l'essexite en tant que roche qui s'est refroidie sous terre. À Bötzingen, la phonolite est extraite pour des applications spéciales et utilisée à l'état finement broyé pour la technologie des filtres, les additifs pour béton et comme farine de roche pour l'alimentation animale et l'horticulture. Les roches rares comme la limburgite et la carbonatite ainsi que les roches de gangue comme la moonshaldeite et la bergalith se trouvent dans toute l'Europe, en partie seulement dans le Kaiserstuhl. Les minéraux rares tels que le grenat, l'opale de verre et le koppite constituent une attraction particulière pour les personnes intéressées par les minéraux.

La partie orientale du Kaiserstuhl est reliée au Tuniberg par une zone de faille et se compose de roches sédimentaires soulevées. On y trouve des calcaires des périodes jurassique et tertiaire. Dans la zone de contact avec la partie volcanique chaude, une roche marbrière, particulièrement belle, s'est formée à partir de sédiments tertiaires, qui ont fondu puis se sont solidifiés à nouveau. Les sources thermales au pied du Badberg, dont la température constante est de 21°C, témoignent aujourd'hui encore de la chaleur qui règne à l'intérieur de la terre.

Ce n'est qu'à l'époque glaciaire, jusqu'à il y a 12 000 ans, que le volcan a été recouvert de loess, qui lui a donné sa surface actuelle. Aujourd'hui, environ 85 % des couches rocheuses sont recouvertes de lœss. Des défenses de mammouths et des lames de pierre de chasseurs de l'ère glaciaire ont déjà été trouvées dans le lœss à plusieurs endroits et témoignent du fait que les premiers hommes vivaient déjà ici.