Het Plateau van de Hoge Venen bestaat vooral uit gesteente uit de periode van het Cambrium (500 miljoen jaar geleden), toen op de toenmalige zeebodem grote hoeveelheden zand en klei werden afgezet. In het Devoon (400 miljoen jaar geleden), werden de afzettingen uit het Cambrium tijdens de Caledonische plooiingsfase omhooggestuwd en geplooid. Aan de randen werd zandsteen en leisteen afgezet. In het Carboon (350 miljoen jaar geleden) werd aan de noordwestkant van het plateau kalk afgezet. In deze periode vond ook de Hercynische plooiingsfase plaats, waarbij het gesteente op het plateau opnieuw werd opgeheven en geplooid. Erna verdwenen de later afgezette gesteenten door erosie en kwam het Cambrische gesteente weer aan het oppervlak.
In het Krijt (140 miljoen jaar geleden), werd het plateau overspoeld door een warme, ondiepe zee, zodat hier en daar kalk en vuursteen afgezet kon worden. In het daarop volgende Oligoceen (30 miljoen jaar geleden) trok de zee zich terug en zette hier en daar nog zand en grind af, bijvoorbeeld langs de Vêquée nabij de Baraque Michel). Tijdens het Plioceen (20 miljoen jaar geleden) werd het plateau nogmaals opgestuwd en bereikt zijn huidige hoogte en reliëf. Tijdens de laatste Ijstijd werd er door de wind een leemlaag op het plateau afgezet. Tevens werden rotsblokken verplaatst en vormden zich door de werking van vorst en dooi de zogenaamde minerale "palsen". En niet te vergeten, vormde zich tenslotte hoogveen op de ondoorlatende leemlaag. Deze veenlaag verschilt in dikte en bedraagt in het Fagne Wallonne ten dele meer dan 150 cm.
De hoogste toppen van dit gebied vormen de Botrange (693 meter), het hoogste punt van België, en de Baraque Michel (672 meter).