El Desfiladero de los Gaitanes está situado en la parte occidental de la Cordillera Bética y, en su conjunto, el cañón cuenta, en ciertos sectores, con paredes de más de 300 metros de altura y con anchuras menores a 10 metros. Está excavado básicamente en calizas y dolomías del Jurásico, existiendo también en la zona afloramientos rocosos del Mioceno. El aspecto morfológico más espectacular es la estratificación vertical de las calizas que el río ha ido taladrando y que ofrece un corte.
En la zona del Desfiladero de los Gaitanes existen una veintena de cavidades, algunas de ellas colgadas varias decenas de metros por encima del curso del río, y cuya evolución se ha visto afectada por el progresivo encajamiento del río Guadalhorce, que ha ido profundizando el desfiladero en sucesivas etapas.

De entre las diversas unidades presentes se encuentran una formación de conglomerados y calcarenitas, sedimentos miocenos que presentan bellas estructuras sedimentarias, algunos restos fósiles de ballenas y también unas formaciones areniscas de tipo taffoni y que consisten en unos promontorios redondeados de arenisca en los que la erosión ha excavado una cueva o abrigo.