В геоложко отношение Странджа е формирана по време на изграждането на нагънатата планинска система на Балканидите, представляващи сегмент от северния клон на Алпо-Хималайската верига. Издигането на планината се разглежда като продукт от процесите на сблъсък по активния южен ръб на Евразиатската плоча.

Територията на Природния парк „Странджа“ заема части от две тектонски зони – Сакар-Странджанската и Средногорската.

Странджанската тектонска зона заема значителна част от територията на Югоизточна България – Маришката област, Харманлийско, Сакар, Странджа планина, Манастирските и Светиилийските възвишения. Част от метаморфните скали на Странджа са определени като долно- и средноюрски фундамент, а покриващите ги горнокредни неметаморфозирани метаседиментни и метавулкански скали са глинести шисти, филити, метапелити, метаалевролити и диабази, метапясъчници, прекристализирали варовици и мрамори. Сред тях по-късно са внедрени и големи тела от палеозойски гранитоиди. Северната част на зоната над линията Уграш – Папазова нива – Българи е заета от горнокредни андезити, андезитови туфи и пясъчници. В южните части на зоната преобладават скали от горна юра – глинести, песъчливо-глинести и мергелни шисти.

Средногорската тектонска зона се разкрива като ивица паралелна на морския бряг с ширина 10-15 км. Изградена е от натрупани през късната креда дебели комплекси от седименти и вулканогено-седиментни скали с обилни изливи от лава (туфи, туфити, пясъчници, алевролити, глинести варовици, алкални трахити и базалтоиди, дайков комплекс, вулкано-седиментни брекчи, диорити и гранодиорити и др.).

В следствие на тектонични промени в Средногорието се образуват Средногорската и Странджанската металогенни зони, част от по-голямата Апусени-Банат-Тимок-Средногорска металогенна зона.

На територията на Парка се разкриват също неогенски морски седименти и кватернерни континентални и морски наслаги.