La vallée du Boulon a d’abord été incisée dans les sables-argiles-silex de l’« éocène détritique », puis dans l’Argile à silex (nom de la formation correspondant au résidu de décalcification des roches calcaires immédiatement sous-jacentes), puis la Craie du Sénonien (ici masquée par des colluvions riches en silex), et enfin dans le Tuffeau du Turonien.

Le tracé de la vallée suit celui d’une faille, orientée NE-SW, affectant et décalant de quelques mètres les terrains du Crétacé supérieur et de l’Éocène inférieur. Cette faille est masquée par les alluvions. Au niveau de la fracture, cassures et fissures de la roche ont facilité la dissolution par les eaux chargées en dioxyde de carbone, en surface comme en profondeur. Un réseau karstique constitué de cavités, de galeries et de conduits, en a résulté. Ainsi s’explique la localisation de l’incision initiale qui amorcera la vallée, la création du Gouffre et le cours souterrain du Boulon dans le Tuffeau.

La faille a contraint et orienté le dispositif ; il s’agit là d’un bel exemplede guidage tectonique déterminant la formation d’une vallée. Cette faille de direction dite armoricaine (NE-SW) est la traduction en surface d’une cassure plus profonde affectant le socle, support des roches sédimentaires de cette partie du Bassin parisien. Plus à l’Ouest, une faille comparable et de même direction a contraint le cours de la Braye.