La galleria attraversa, nel suo sviluppo tra Göschenen e Airolo, la parte meridionale del massiccio dell'Aar, la zona di Orsera e la serie cristallina del massiccio del San Gottardo.
Partendo dal portale nord il tunnel attraversa dapprima, per 160 m, materiale sciolto consistente in materiale proveniente dallo scavo della galleria ferroviaria, detriti di falda e materiale franato. Segue un tratto nel granito dell'Aar. Si attraversa poi una zona gneissica, che termina bruscamente a contatto con le susseguenti serie sedimentarie di Orsera. Da qui si procede in formazioni più antiche: calcari, calcari scistosi, marmi, scisti argillosi del Giurassico, tufi calcarei, dolomia, scisti triassici, arenaria del Permocarbonifero.
Segue
l'involucro cristallino del massiccio del San Gottardo con gli scisti
sericitici della zona di Hospental, i paragneis, un tratto nel granito
gneissico del Gamsboden, con un ulteriore strato di paragneis, gli gneis
di Sorescia, la formazione degli scisti della Tremola, ricchi di
infiltrazioni d'acqua; e infine, al portale sud, le formazioni
triassiche. Queste ultime per la loro scarsa consistenza imposero la
costruzione del tunnel a cielo aperto.